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IAM-AWP熱量計(jì)中心：通過量熱學(xué)可以提高電池的壽命和安全性

時(shí)間:2020-06-15 11:17來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：KIT官網(wǎng)）
 
    據(jù)外媒報(bào)道，卡爾斯魯厄理工學(xué)院應(yīng)用材料學(xué)院（IAM-AWP）熱量計(jì)中心的負(fù)責(zé)人Carlos Ziebert博士解釋，如何通過量熱學(xué)提高鋰離子電池和鋰電池的壽命和安全性。
 
    IAM-AWP熱量計(jì)中心成立于2011年，目前運(yùn)營(yíng)著歐洲最大的電池量熱學(xué)實(shí)驗(yàn)室。該中心提供六個(gè)大小不同的加速速率熱量計(jì)，能夠?qū)Σ煌?guī)格的電池進(jìn)行測(cè)量，可以在絕熱和等周期（quasiadiabatic and isoperibolic）的環(huán)境下，根據(jù)正常和濫用條件（熱、電和機(jī)械），從材料、電池和電池組級(jí)別，評(píng)估鋰離子和非鋰電池的熱力學(xué)和熱安全數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可應(yīng)用于電池價(jià)值鏈的各個(gè)層面，比如安全材料設(shè)計(jì)，以及熱管理和安全系統(tǒng)的優(yōu)化。
 
    在材料層面上，差示掃描量熱儀（DSC）、激光導(dǎo)熱分析儀（LFA）和非常靈敏的塞塔拉姆C80 Tian-Calvet型量熱儀，提供了熱力學(xué)參數(shù)，比如熱容、導(dǎo)熱系數(shù)或材料層面的生成焓等。較大的塞塔拉姆MS80 Tian-Calvet型量熱儀，甚至可以匹配21700圓柱形電池。通過直接熱流測(cè)量，可以非常準(zhǔn)確地測(cè)定電池在循環(huán)過程中產(chǎn)生的熱量。利用3D傳感器布置來測(cè)定熱流，其中樣品和參考容器都被帶有數(shù)百個(gè)熱電偶的環(huán)所包圍。
 
    非鋰電池
 
    這些研究對(duì)非鋰電池尤為重要。非鋰電池利用更加豐富的材料（如鈉、鎂），而不是鋰、鎳和鈷，并且是 POLiS（非鋰儲(chǔ)能）卓越集群（POLiS Cluster of Excellence）的研究重點(diǎn)。該項(xiàng)目每年的預(yù)算約為700萬歐元，計(jì)劃實(shí)施7年。在這個(gè)集群中，IAM-AWP熱量計(jì)中心負(fù)責(zé)熱特性和安全測(cè)試，首先進(jìn)行小規(guī)模測(cè)試，然后持續(xù)安全地?cái)U(kuò)大電池規(guī)模。
 
    目前的鋰離子電池
 
    顯而易見，消費(fèi)者是否愿意采取目前的鋰離子電池技術(shù)，在很大程度上取決于安全問題。因?yàn)殡姵乜赡芤驗(yàn)闊崾Э囟鸨�，同時(shí)釋放有毒氣體。因此，對(duì)于交通和固定存儲(chǔ)電氣化來說，熱管理和安全性至關(guān)重要。通過這六種強(qiáng)大的加速速率熱量計(jì)，可以有效提升電池的熱管理、循環(huán)壽命和安全性。
 
    充放電過程中熱量的產(chǎn)生和耗散，與電池循環(huán)器相聯(lián)系。為了進(jìn)行相關(guān)研究，將電池插入等周期環(huán)境熱量計(jì)（恒溫量熱計(jì)）或絕熱量熱計(jì)（無熱交換量熱計(jì)），通過位于量熱計(jì)艙蓋、艙底和側(cè)壁的加熱器和熱電偶，調(diào)整環(huán)境條件。在熱管理系統(tǒng)應(yīng)用中，通過確定比熱容和傳熱系數(shù)，將所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生和散發(fā)熱量的數(shù)據(jù)。
 
    可以通過日歷老化和循環(huán)老化試驗(yàn)，對(duì)電池的循環(huán)壽命進(jìn)行研究。在固定的時(shí)間間隔內(nèi)，觀察電池產(chǎn)生的熱量和溫度變化，作為健康狀態(tài)的參考值。當(dāng)電池達(dá)到其終止標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，利用熵測(cè)量和電化學(xué)阻抗譜，來測(cè)量可逆和不可逆熱。這些數(shù)據(jù)可以作為電等效電路模型和老化模型（基于阻抗）的相關(guān)參數(shù)。此外，還對(duì)一些電池進(jìn)行事后分析，即在惰性氣體環(huán)境中分解，并確定其化學(xué)成分、形態(tài)和電極結(jié)構(gòu)的變化。
 
    此外，新電池的安全性，以及老化的潛在危險(xiǎn)性，可以通過在加速速率熱量計(jì)中進(jìn)行下列三種安全測(cè)試來定量確定：
 
    電氣濫用：外部/內(nèi)部短路試驗(yàn)、過充試驗(yàn)、過放試驗(yàn)。
 
    機(jī)械濫用：釘狀物測(cè)試。
 
    熱濫用：加熱-等待-搜尋試驗(yàn)、斜坡加熱試驗(yàn)、熱傳播試驗(yàn)。
 
    觀察自熱、熱穩(wěn)定性和熱失控，確定電池安全運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)及其臨界值。另一個(gè)重要問題涉及氣體排放，可在濫用試驗(yàn)期間收集這些氣體并進(jìn)行移地分析。氣相色譜分析法采用兩種檢測(cè)器，對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)和定量，包括質(zhì)譜分析和熱導(dǎo)檢測(cè)器。了解各種電池濫用情況下產(chǎn)生的氣體成分，揭示相應(yīng)的分解途徑，并提示所需要采取的防護(hù)措施，例如，延遲或防止由排氣物著火或熱逃逸引起的電池火災(zāi)。
 
    綜上所述，電池量熱法提供了相關(guān)定量和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，反映電池和材料的溫度、熱量和壓力變化，為開發(fā)電池提供快速反饋信息，并可作為模擬輸入數(shù)據(jù)加以利用。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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