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電池絕熱量熱儀的黃金標準：可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案
閱讀：789 發布時間：2024-7-16前言
電池絕熱量熱儀作為進行電池絕熱熱失控測量的重要儀器，其核心技術指標為樣品自放熱檢測靈敏度，即識別樣品微弱放熱的能力，該指標直接決定了儀器對電池自放熱起始溫度Tonset等特征溫度點的測量準確性。為實現高檢測靈敏度，要求儀器具有理想的結構設計、精準測溫技術和高效控溫算法等，從而實現優異的絕熱性能。
目前行業內缺失電池絕熱量熱儀整機計量校準規范，因此未形成統一、科學、合理的方法驗證儀器核心指標，不利于客觀評價儀器性能和規范儀器標準，絕熱性能不佳的儀器測定的數據更將直接影響相關企業進行電池系統安全設計，對鋰電池相關行業發展產生負面影響。
部分廠商和用戶利用具有經驗數據的鋰電池作為標樣進行儀器評價，這種方法存在一定問題：（1）同一批次電池可能在內部結構、材料等方面存在細微差異，熱失控實驗數據的一致性無法保證，將引入額外的不確定度；（2）部分鋰電池熱失控過程劇烈，對儀器設備造成明顯污染，甚至損傷，同時對測試場地的要求較高。
為了解決以上問題，本文提出一種基于焦耳熱發生技術的電池絕熱量熱儀校準方案，該方案具有可溯源、精度高、易操作、無損傷、低成本等特點，有望發展成為電池絕熱量熱儀的校準規范。
圖1 全尺寸電池絕熱量熱儀
方案介紹
本方案利用標準電阻塊（內置加熱管的金屬塊）作為標樣（如圖2所示），并通過程控電源程序控制加熱功率，調節電阻塊的升溫速率，從而對鋰電池熱失控溫升過程進行等效模擬。另外，通過高壓氣瓶搭配電磁閥產生脈沖氣流的方式，可實現鋰電池開閥降溫過程的模擬。
為準確模擬鋰電池的產熱過程，參照典型鋰電池絕熱失控實驗數據，對鋰電池熱失控升溫過程的表觀反應動力學參數進行擬合計算，得到電池產熱速率隨溫度變化的關聯方程，并結合電阻塊的質量及比熱容，計算電源實時輸出功率，實現電池放熱過程精確模擬。
圖2 鋰電池熱失控模擬裝置示意圖
如圖2所示，將標準塊吊裝在絕熱量熱儀中，并進行HWS模式實驗，通過對比理論特征溫度點與實測特征溫度點，以及各溫度臺階理論溫升速率與實測溫升速率，可以驗證絕熱量熱儀的測量靈敏度和準確性。
驗證結果示例
利用BAC-420A分別進行三元和磷酸鐵鋰電芯的絕熱熱失控模擬實驗，實驗結果如圖3~圖8所示。對于三元鋰電模擬實驗，標樣的理論Tonset溫度為80.0℃（對應升溫速率為0.02℃/min），兩次實驗的Tonset檢出臺階分別為80℃和85℃，符合預期。
（2）BAC-800A驗證實驗
對具有更大量熱腔尺寸的BAC-800A分別進行一組三元鋰電和磷酸鐵鋰的絕熱熱失控模擬實驗，實驗結果如圖9~圖12所示。三元鋰電、磷酸鐵鋰模擬實驗的Tonset檢出臺階分別為80℃、105℃，均符合預期。實驗中各臺階實測溫升速率與理論值偏差均在±0.003℃/min內。
（3）BAC-1000A驗證實驗
對大尺寸密閉型絕熱量熱儀BAC-1000A分別進行一組三元鋰電和磷酸鐵鋰的絕熱熱失控模擬實驗，實驗結果如圖13~圖16所示。三元鋰電、磷酸鐵鋰模擬實驗的Tonset檢出臺階分別為80℃、110℃，均符合預期；實驗中各臺階實測溫升速率與理論值偏差均在±0.005℃/min內。
總結
基于本文提出的電池絕熱量熱儀校準方案，可以客觀、有效地評價電池絕熱量儀的關鍵性能。同時本文的測試結果驗證了仰儀科技全尺寸大電池絕熱量熱儀的優異性能。仰儀科技將繼續推進相關計量檢測標準的落地，規范行業發展，以精確、可靠的數據為鋰電池行業保駕護航。
