電池技術測試

英國HEL電池量熱儀

優化管理，降低風險

特別為測試各種規格的電池包括大電池，及電池材料、組件的安全性而設計的熱安全性測試儀器BTC 絕熱加速量熱儀。

BTC是傳統'ARC'絕熱量熱儀的升級改進版儀器，是為日趨重要的能源儲存領域特別設計的適用性更強、更先進的危害評估工具。
提供絕熱量熱模式和等溫量熱模式兩種可選，可選擇不同的設備，或在一臺設備中實現兩種功能模式。

• BTC-500|大尺寸，大容量，高活性體系，電池熱性能及安全性能測試，絕熱量熱儀

• BTC-30|臺式、小尺寸電池、小容量電池，材料級別，電池熱性能及安全性能測試，絕熱量熱儀

• iso-BTC plus| 落地式，大功率，大尺寸，電池熱性能測試，等溫量熱儀

• iso-BTC| 臺式，較小熱功率，較小電池，電池熱性能測試，等溫量熱儀

• BTC-MS電池絕熱量熱儀與高壓質譜聯用

詳情介紹

BTC-500 | 大尺寸，大容量，高活性體系，電池熱性能及安全性能測試，絕熱量熱儀

BTC-500 (電池測試量熱儀) 是一種落地式絕熱量熱儀，針對尺寸較大、容量較大及反應較劇烈的電池單體和小型模組，可實現鋰離子電池在耦合或解耦熱應力、電應力和機械應力 (濫用)情況下的熱安全測試。對電池單體和小型模組進行相關測試，有助于評估電池單體及小型模組的安全性能，定義電池的安全操作極限，并有助于研究鋰離子電池熱失控和熱蔓延機制，開發滿足安全需求的熱失控及熱蔓延抑制策略。

應用領域

安全測試

定義安全操作限制:

• 為避免鋰離子電池熱失控風險及其可能導致的災難性后果，必須明確鋰離子電池單體、模組和電池包的安全運行極限。因此，需要對電池施加熱應力、電應力和機械應力，用以確定電池的安全操作極限。

• 熱穩定性數據有助于確定電池的安全工作溫度

• 充放電溫升可幫助確定不同溫度下的最大安全電流

• 過充及過放溫升可以幫助確定不同溫度下的最高和最低安全電壓

• 可以評估不同溫度下機械應力和外部短路 (ESC) 的后果

探索熱失控和熱蔓延

• 極端條件可能導致電池單體熱應力增加，引發電池熱失控。因此，為了提升電池的安全性甚至開發安全的電池，必須了解電池中熱失控的機理，以及熱失控如何在模組或電池包內蔓延，以便實施適當的緩解和抑制策略。在BTC-130和BTC-500中進行材料熱分解和電池熱失控測試時，可同步獲取相應的氣體壓力數據，該數據可以用于電池熱失控行為建模。可以檢測電池內組分分解的連續起始溫度，并估算所釋放的熱量，進一步揭示電池內的熱失控反應機理。測試過程可收集電池釋放的氣體，并借助在線氣體MS或其他氣體分析設備，進一步了解反應歷程。
  BTC-500可以實現在模組內特定位置觸發單體熱失控。例如使用針刺、加熱或其他可能引發電池短路的方式，觸發熱失控，并利用設備集成的相機全程錄像。通過設計熱失控起始位置，可評估模組的熱蔓延風險，表征熱安全事件的危害程度，并在模組設計時，采取適當的抑制措施，以實現模組整體的散熱大于產熱。

性能測試

表征電池性能的差異

• BTC-130和BTC-500可用于表征在更極端的工況條件下的電池性能。例如，通過對設備內的電池進行極限工況下的循環，觸發電池自產熱，并進行絕熱跟蹤至電池熱失控。也可以多次極限循環后，在設備內進行針刺實驗，表征電池單體的機械結構穩定性。上述熱失控過程都可以使用BTC-500的相機記錄。通過自定義的實驗，可以實現不同種類電池的安全性對比。

功能和選項

測試類型

• 熱應力：BTC-500為經受熱應力的電池提供絕熱環境，從而表征電池的熱穩定性，并提供相關熱失控的關鍵數據及圖像。

• 電應力：BTC-500可與充放電設備集成，支持正常充放電、過充及過放測試，也可與外短路設備連接，實現絕熱條件下的電-熱性能評估。

• 機械應力：BTC-500可配備針刺測試設備，并可用于表征針刺過程的熱失控。

• 自動氣體采樣，用于采氣分析。

• 在模組內的特定位置處觸發單體熱失控。

• 集成攝像機記錄測試樣品的變化。

• 樣品的溫場分布 (多點溫度測量)。

• 集成在線高壓質譜，實現數據實時分析。

• 可擴展接口，實現功能擴展。

• 自定義測試方法編輯。

• 高數據速率采集，高達10,000Hz的溫度及壓力數據采集，可用于表征極快的反應，可滿足超高速采集需求

• 幫助進一步了解熱蔓延和熱失控的其他功能包括：

電池/樣品尺寸

• 圓柱電池(18650尺寸以上)、方形電池、軟包電池和小模組。

• 量熱腔內部尺寸-500毫米直徑/500毫米高。

溫度控制

• 標配：環境溫度至500 °C。

• 可選: 從-40 °C開始的低溫環境溫度

智能軟件控制與分析

• 控制軟件可實現常規數據記錄、自定義數據記錄項、自定義測試工步及方法、參數控制和反饋回路。

安全功能

• 用戶可配置的自動事件檢測和軟硬件保護，確保用戶安全

• 具備可保留樣品殘骸和可抑制有毒煙霧擴散的安全外殼

• N₂吹掃或熱失控后危險氣體的安全吹掃

• 在每個系統上安裝硬件和軟件故障自動保險

BTC-130|臺式，小尺寸電池，小容量電池，材料級別，電池熱性能及安全性能測試，絕熱量熱儀

BTC-130 (電池測試量熱儀) 是一種臺式絕熱量熱儀，旨在對較小尺寸的電池進行熱，電和機械應力測試。對這些測試的評估有助于評估電池單體的安全性能，表征電池的安全運行極限，幫助熱失控機理的研究和開發。

應用程序

安全測試

組件危險篩查:

• 電池的使用環境多樣，在正常使用和應力條件下，可能導致電池內部過熱或過冷。因此，在開發早期了解電池單體在一系列溫度下的行為至關重要。如果新的電池具有較低的自產熱溫度，而散熱條件不足，則可能造成電池熱失控事故。同樣，如果電池內壓力快速增加伴隨熱事件，或者產生有毒氣體，也需要重新評估該電池及其內部關鍵材料的使用可行性。BTC-130可測試尺寸較小、容量較小的電池，通過提供絕熱環境，表征電池單體及關鍵材料的熱穩定性，為電池開發提供參考數據。 

定義安全操作限制:

• 為避免鋰離子電池熱失控風險及其可能導致的災難性后果，必須明確鋰離子電池單體、模組和電池包的安全運行極限。因此，需要對電池施加熱應力、電應力和機械應力，用以確定電池的安全操作極限。熱穩定性數據有助于確定電池的安全工作溫度

• 充放電溫升可幫助確定不同溫度下的最大安全電流

• 過充及過放溫升可以幫助確定不同溫度下的最高和最低安全電壓

• 可以評估不同溫度下機械應力和外部短路 (ESC) 的后果 

探索熱失控和熱傳播

• 極端條件可能導致電池單體熱應力增加，引發電池熱失控。因此，為了提升電池的安全性甚至開發安全的電池，必須了解電池中熱失控的機理，以及熱失控如何在模組或電池包內蔓延，以便實施適當的緩解和抑制策略。
  在BTC-130和BTC-500中進行材料熱分解和電池熱失控測試時，可同步獲取相應的氣體壓力數據，該數據可以用于電池熱失控行為建模。可以檢測電池內組分分解的連續起始溫度，并估算所釋放的熱量，進一步揭示電池內的熱失控反應機理。測試過程可收集電池釋放的氣體，并借助在線氣體MS或其他氣體分析設備，進一步了解反應歷程。

性能測試

表征電池性能的差異

• BTC-130和BTC-500可用于表征在更極端的工況條件下的電池性能。例如，通過對設備內的電池進行極限工況下的循環，觸發電池自產熱，并進行絕熱跟蹤至電池熱失控。也可以多次極限循環后，在設備內進行針刺實驗，表征電池單體的機械結構穩定性。

功能和選項

測試類型

• 熱應力：BTC-130為經受熱應力的電池提供絕熱環境，從而表征電池的熱穩定性，并提供相關熱失控的關鍵數據。

• 電應力：BTC-130可與充放電設備集成，支持正常充放電、過充及過放測試，也可與外短路設備連接，實現絕熱條件下的電-熱性能評估。

• 機械應力：BTC-130可配備針刺測試設備，并可用于表征針刺過程的熱失控。

• 高數據速率采集，高達10,000Hz的溫度及壓力數據采集，可用于表征極快的反應，，可滿足超高速采集需求

電池/樣品尺寸

• 圓柱電池、方形電池、軟包電池、商用紐扣電池、電池內部材料

• 用于電池材料測試的可選球形測試池 (壓力范圍1-150 bar)。

溫度控制

• 環境溫度至500 °C。

智能軟件控制與分析

• 控制軟件可實現常規數據記錄、自定義數據記錄項、自定義測試工步及方法、參數控制和反饋回路。

安全功能

• 用戶可配置的自動事件檢測和軟硬件保護，確保用戶安全

• 在每個系統上安裝硬件和軟件故障自動保險

iso-BTC plus| 落地式，大功率，大尺寸，電池熱性能測試，等溫量熱儀

新的iso-BTC plus，可測量電池充電和放電期間的熱功率曲線，為優化電池熱管理及電池使用壽命提供幫助。基于臺式iso-BTC的原理，新的iso-BTC plus允許測量更高的熱功率及更大尺寸的電池。

應用程序

性能測試

確定熱管理

• 電池在充放電過程的熱行為較復雜，深入理解電池的熱行為，可以優化電池及模組的電-熱行為及安全性，延長使用壽命。

• 熱管理策略不當可能導致產品安全性下降甚至導致危險。

• 熱管理過度可能導致產品體積龐大、笨重、復雜或成本高昂。

• 對電池充放電熱行為理解不充分，可能導致電池使用限制偏差，產生危險。同時，過于謹慎地設置使用限制，會導致電池性能的限制，并增加不必要的生產成本。

放熱率 (功率) 和以千焦耳為單位測量的釋放能量

• iso-BTC plus的數據可以表征以下工況的電池熱行為：

• 正常使用時在各種環境溫度和各種充電/放電狀態下的熱行為。

• 異常但非濫用的情況 (例如，輕度過度充電)的熱行為。

• iso-BTC plus數據可以幫助用戶在體系開發、電池結構設計、電池熱管理系統設計和高性能產品設計方面進行決策。

• iso-BTC plus 數據用于熱傳導建模，以幫助預測具有復雜幾何形狀的大型高功率電池的熱行為。

• iso-BTC plus在測試期間支持溫場分布監控，以識別電池產生更多熱量的區域。該信息還可以用于驗證熱管理策略。

 表征電池性能的差異

• 評估化學體系、電極組成、電池設計、電池類型及電池SOH對熱行為的影響，模擬各種溫度環境，測量電池在各種充電/放電過程的熱量，讓用戶更深入地理解產品。

  
  

• 重復充電/放電循環對16Ah軟包電池釋放的熱量的影響。1C充電的循環過程的熱量變化較小。。0.5C充電 (黃色) 和5C放電 (粉紅色) 的循環過程的熱量明顯增加。

表征電池的質量控制

• iso-BTC plus數據可用于表征電池性能，作為品質控制過程的一部分。這種方法適用于電池制造商和電池集成商。

iso-btc | 臺式，較小熱功率，較小電池，電池熱性能測試，等溫量熱儀

iso-btc (電池測試量熱儀) 是一種等溫量熱儀，用于表征正常和長期使用條件下電池單體的熱行為和電性能。它支持一系列適配器，允許分析各種形式的電池。

應用程序

性能測試

表征電池性能的差異

• 電池的化學體系、電池設計、電池單體類型以及電池當前SOH都會影響電池性能。Iso-BTC能夠實現在電池老化或劣化過程中研究這些因素對電池熱性能的影響，結合熱量與能量的轉化率、不可逆容量、放出的熱量如何隨溫度變化以及倍率數據，可用于電池性能建模，幫助用于提升對電池熱行為的理解，不斷迭代電池的開發。

表征細胞的質量控制

• 電池的關鍵性能，例如放出的熱量及熱量與能量的轉化率，可以用于表征電池性能，也可以用于電池制造商的品質控制以及電池集成商檢查電池性能。使用iso-BTC的數據可以幫助控制電池品質。

確定熱管理

• 在正常使用時，電池單體在充電和放電過程會有熱量被吸收和放出，并且，在模組內，電池之間可能出現熱量傳遞導致熱分布不均勻的情況，這可能引起安全隱患及電池性能差異。

• 如果沒有有效的熱管理，電池在充放電的熱量可能累積，使電池升溫，引發電池自產熱，導致熱失控，因此，電池模組內都會具有控制電池熱傳遞的結構或設計。為了合理設計熱傳遞結構及設計，需要表征電池在一定溫度下的充電和放電的熱行為，而使用iso-BTC可以為熱管理的設計提供必要的數據。

• iso-BTC在測試期間支持溫場分布監控，以識別電池產生更多熱量的區域。該信息還可以用于驗證熱管理策略。

功能和選項

試驗類型

• 性能測試

• 表征正常和非正常使用下的性能。

• 老化和壽命性能測試。

• 電池行為與充電/放電速率和溫度的關系

• 熱功率/熱量曲線。

• 電池產熱量與輸入或輸出能量曲線

• 電池充電/放電電壓曲線

• 電池充電/放電容量曲線 

電池/樣品尺寸

• 圓柱電池、小軟包電池和小方形電池。圓柱電池需搭配電池適配器。

• 最大測試體積250毫米寬，250毫米深，80毫米高

• 測試樣品體積將包括所用適配器體積。 

溫度控制

• 標配：-20 °C至90 °C

• 可選：從-40 °C開始的低溫環境溫度 

智能軟件控制與分析

• 控制軟件可實現常規數據記錄、自定義數據記錄項、自定義測試工步及方法、參數控制和反饋回路。

安全功能

• 用戶可配置的自動事件檢測和軟硬件保護，確保用戶安全

• N₂吹掃

• 多點樣品溫度測量

• 在每個系統上安裝硬件和軟件故障自動保險

BTC-MS丨電池絕熱量熱儀與高壓質譜聯用

絕熱加速量熱方法通常用于揭示化工品的熱安全性，一般可以獲取反應物在絕熱環境下的起始放熱溫度Tonset、絕熱溫升ΔTad、最大溫升速率(dT/dt)max、至最大反應速率時間TMRad、活化能Ea、指前因子A、反應級數n、壓升速率dP/dt等參數，用于指導化工品的安全設計及安全生產。

絕熱加速量熱方法通常用于揭示化工品的熱安全性，一般可以獲取反應物在絕熱環境下的起始放熱溫度Tonset、絕熱溫升ΔTad、最大溫升速率(dT/dt)max、至最大反應速率時間TMRad、活化能Ea、指前因子A、反應級數n、壓升速率dP/dt等參數，用于指導化工品的安全設計及安全生產。　　 

然而，絕熱加速量熱儀無法分析反應過程的氣體。在反應過程將氣體導出分析，會導致測試過程由恒容反應體系變為變壓反應體系，反應體系的變化，可導致反應歷程變化。并且，將氣體導出的過程，可能發生氣體冷卻及由于溫度變化導致的二次反應，從而，無法準確分析反應過程的氣體，干擾反應機理解析。為解決這個問題，可以將絕熱加速量熱儀與在線高壓質譜聯用，實現反應氣體實時分析。

 　　絕熱加速量熱儀與高壓質譜聯用原理及實物圖如下：

圖1 H.E.L BTC-130絕熱加速量熱儀與質譜連接示意圖

圖2 H.E.L BTC-130與高壓質譜連接圖片

　　通過H.E.L的BTC系列產品預留接口，高壓質譜與相應絕熱加速量熱儀相連，從而實現測試池內樣品在線分析。

　　下圖為16Bar下高壓質譜實時分析，該高壓質譜實現高壓下對3000s內的反應池氣體實時分析。

 圖3 16Bar下高壓質譜分析結果

 為了保證高壓質譜與絕熱加速量熱儀的適配，我司提供滿足化工產品分析需求以及鋰離子電池分析需求的解決方案，助力化工產品以及鋰離子電池安全評估。

BTC-130主要技術參數 :

絕熱量熱儀溫度操作范圍：室溫-500℃；

樣品倉尺寸：直徑不小于130mm, 高度不小于200mm。

雙加熱器設計：樣品輔助加熱器和腔體加熱器協同加熱升溫。

支持電池樣品比熱Cp 測試

配置直接原位質譜接口 

BTC-500 主要技術參數：

電池樣品絕熱量熱溫度范圍：低溫-15℃-室溫，室溫-450℃

不銹鋼耐高溫高壓的絕熱量熱儀內腔規格尺寸：Φ 500mm X h 500mm

腔體泄壓壓力設置4bar，可執行氣體壓力數據采集及氣體原位測試

支持比熱CP 測試，內置攝像頭，惰性氣體氣氛及氣體采集。

配備直接原位質譜接口。 

參考文獻：

1. Huang L, Lu T, Xu G, et al. Thermal runaway routes of large-format lithium-sulfur pouch cell batteries[J]. Joule, 2022, 6(4): 906-922.

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