单体热稳定性测试——测定锂电池单体热失控演化历程

热滥用测试：HWS 模式大容量磷酸铁锂电池热失控测试：如图所示为 305Ah 磷酸铁锂电池的测试数据。磷酸铁锂电池的热失控爆 炸相对较为温和，实验过程中除了烟气喷发外未出现明火。大型电池绝热量热仪可以在内部压力过大时，通过上盖顶起快 速泄压，确保实验安全性。一般来说，保持良好的实验室通风环境，BAC-420A 对大容量的磷酸铁锂电池进行测试实验能够确保相对较高的安全性。HWS 模式大容量高镍锂电池绝热热失控特性测试：检测 150Ah 以上的高镍三元电芯的绝热热失控特性是行业内的热点与难点问题。大容量高镍电芯达到热失控起始温度后具有极高的能量释放速率。本案例使用 BAC-420A 大型电池绝热量热仪对大容量高镍锂电池进行绝热热失控测试。如图所示，在仪器上盖被顶起泄压的情况下，电池表面热失控最高温度 Tmax 仍然能够达到约 1100℃，最大温升速率超过 10000℃ /min，明显高于磷酸铁锂和中低镍 NCM 电池的数据。观察电池残骸可以发现，160Ah 的电池热失控爆炸后保证了基本结构的完整性。190Ah 的电池安全阀周围已被完全崩裂，同时电池的质量损失率达到 80%。电滥用测试：电池绝热量热仪可以连接充放电设备，进行过充实验或通过反复充放电提升电池温度，进而引发电池热失控。机械滥用：利用大型电池绝热量热仪配备的针刺模块可进行机械滥用测试。锂电池热安全和热管理整体解决方案lithium battery thermal safety and thermal management solutions 气体爆炸特性测试量热腔直径达1000mm——创新型的全尺寸系列电池绝热量热仪 用心感知 精确传递 WE WORK WITH CARE AND PRECISION 杭州仰仪科技有限公司 仰仪科技 YOUNG INSTRUMENTS 杭州仰仪科技有限公司成立于2006年，是专注于新能源与化工领域测试需求的国家高新技术企业。我们在温度测量与发生、测试容器制备、仪器集成与数据分析等核心技术上有深度积累，是化工领域测试仪器设备、解决方案的专业开发者。 我们为高等院校、科研院所、大型企业、第三方检测机构、应急管理、货物运输、海关监管、市场监管及环境保护等客户提供支持。近年来，公司已成长为国内领先的测试仪器设备、解决方案专业开发者，并面向全球开展国际化业务。 价值观VALUES 用心感知、精确传递 使命MISSION 让化工生产和日常生活更安全、更高效 愿景VISION 化工领域测试仪器设备、解决方案的专业开发者 质量方针QUALITY POLICY 客尽其需 人尽其才 物尽其用 事尽其功 质量目标QUALITY OBJECTIVE 精益产品 精益服务 品质工作 品质生活 m 目录CONTENTS 05-06 03Young Instruments 锂电池热安全和热管理整体解决方案 07-15 锂电池单体热失控测试解决方案 16-20 锂电池热管理参数测试解决方案 21-22 售后支持 为满足新能源汽车日益增长的续航里程需求，大尺寸单体与高能量密度的电池比例不断提高。 然而频发的锂电池自燃事故，让从业者对锂电池的安全边界与失效危害愈发关注。无论是电池的出厂检测、模组的设计还是事故的原因分析，都需要获取准确的热安全参数。仰仪科技从原材料到电池模组级的测试需求出发，开发了成套热安全测试方案，为您提供可靠数据，帮助您进行重要决策。 此外，在锂电池热管理设计与开发过程中，热仿真是主要的辅助开发手段及验证工具。准确的热物性参数对于锂电池热仿真至关重要。仰仪科技以丰富的仪器组合可快速、精确地测定热仿真所需的基础数据，深入剖析电池正常运行状态下的热特性参数，助力客户持续提高锂电池安全性和使用性能。 锂电池单体热失控测试解决方案 我国首例因过充电引发的锂电池热失控案例 探究电池单体安全边界与失效危害 BAC-90A 新能源汽车放置时自燃的案例 4800 挪威耶尔斯塔特斯拉充电时起火的案例 BAC-90A 碰撞挤压后锂电池短路燃烧案例 锂电池热管理参数测试解决方案 提供准确的基础性参数，优化热管理设计 ■锂电池火灾事故成因 据FAA统计数据，历年锂电池火灾事故中，68%是由于内部或者外部短路造成，15%是由于充放电造成，7%由于设备意外启动造成，10%为其他原因。 单体热稳定性测试—测—定锂电池单体热失控演化历程 overall solution for thermal runaway test of lithium battery cell Battery 热滥用 对于单体热稳定性测试，电池绝热量热仪可模拟各种滥用条件下电池的热失控过程。该模式对电池放热测试的灵敏度更高，可呈现完整的电池热失控过程，适用于电池热失控机理研究。 热失控测试平台 关键参数：自放热起始温度 Tonset、泄压温度 TV、热失控起始温度 TTR、热失控最高温度 Tmax、热失控孕育时间∆t、孕育能量Q和热量释放速率q等。 材料热安全 单体热稳定 热失控产气 HWS模式大容量磷酸铁锂电池热失控测试：如图所示为305Ah磷酸铁锂电池的测试数据。磷酸铁锂电池的热失控爆炸相对较为温和，实验过程中除了烟气喷发外未出现明火。大型电池绝热量热仪可以在内部压力过大时，通过上盖顶起快速泄压，确保实验安全性。一般来说，保持良好的实验室通风环境，BAC-420A对大容量的磷酸铁锂电池进行测试实验能够确保相对较高的安全性。 性测试 性测试 测试 电池材料热稳定性： 热滥用： 产气过程： HWS模式大容量高镍锂电池绝热热失控特性测试：检测150Ah以上的高镍三元电芯的绝热热失控特性是行业内的热点与难点问题。大容量高镍电芯达到热失控起始温度后具有极高的能量释放速率。本案例使用BAC-420A大型电池绝热量热仪对大容量高镍锂电池进行绝热热失控测试。如图所示，在仪器上盖被顶起泄压的情况下，电池表面热失控最高温度Tmax仍然能够达到约1100℃，最大温升速率超过10000℃/min，明显高于磷酸铁锂和中低镍NCM电池的数据。观察电池残骸可以发现，160Ah的电池热失控爆炸后保证了基本结构的完整性。190Ah的电池安全阀周围已被完全崩裂，同时电池的质量损失率达到80%。 Tonset、dT/dt、Qr HWS、等速扫描 产气量、产气速率、产气压力 电解液安全性： 电滥用： 产气成分： 闪点、蒸气压、最小点火能 过充、过放、内/外短路 在线测试、离线测试 (a)温升/电压-时间曲线 (b)温升速率-温度曲线 机械滥用： 气体爆炸性： 针刺、挤压 LFL、Pmax、燃烧速率 电滥用 热失控产气测试—为—电池安全预警提供理论依据 在 UL 9540A标准的推行下，电池热失控产气测试成为相关行业的焦点。电池热失控产气测试的主要研究内容包括产气过程、气体成分分析和气体爆炸性分析。其中产气过程主要关注产气量、产气速率与产气压力。 电池绝热量热仪可以连接充放电设备，进行过充实验或通过反复充放电提升电池温度，进而引发电池热失控。 该项测试需要将电池放入电池密封测试罐，并整体放置于绝热腔体内进行测试。对于不同尺寸的电池也可以选用不同容积的测试罐。通过热失控过程中密封罐内压力和温度的数据，利用理想气体状态方程计算产气量和产气速率等数据。 NCM电池过充热失控温升曲线 机械滥用 磷酸铁锂电池热失控产气测试—产—气压力测试:锂电池发生热失控过程中，电池内部会发生一系列化学反应，这些反应产生大量热量，同时伴随着大量可燃气体释放，电池起火事故与电池产气燃烧、爆炸直接相关，因此对电池热失控产气规律进行研究，能够有效地为电池安全预警提供理论依据。 利用大型电池绝热量热仪配备的针刺模块可进行机械滥用测试。 将电池放置于电池绝热量热仪标配的合适尺寸的密封测试罐中，电池升温过程中通过采集罐内压力变化计算电池产气速率和产气量。本案例使用大型电池绝热量热仪测得160Ah磷酸铁锂电池热失控历程存在两个剧烈产气阶段，最大产气速率达到377.9 slpm。 NCM三元电池穿刺实验：本案例为大型电池绝热量热仪 8系高镍三元锂电池穿刺实验，针刺刺入后几秒内电池温度剧烈上升，同时伴随着火光及大量烟雾冒出。整个实验过程中，电池热失控短暂却快速，反应了高镍三元锂电池的热安全特征性能。 BAC-420A大型电池绝热量热仪领先技术：参数自学习校正控制，提高温控准确性便捷高效：量热、电压、电流、红外等多种数据协同分析监测敏锐：温度解析度0.001℃，自放热检测灵敏度（0.02~0.05）℃/min可靠安全：炉体及防爆箱双重防护，保证实验人员和装置安全 单体外部压力-温度变化曲线 单体外部压升速率-温度曲线 锂电池的高能量密度与电池材料的自反应特性让电池在滥用条件下容易诱发不可预测的放热和产气行为，并可能导致热失控、火灾或爆炸等严重后果。为了适应锂电池单体向大体积与高比能量发展的趋势，帮助研究人员更加高效、安全地开展锂电池热安全测试，仰仪科技推出了全面的多尺寸大型电池绝热量热仪系列仪器。与传统电池ARC相比，我们通过优秀的结构设计与系统集成使量热测试室的抗爆能力与密封能力实现了巨幅提升，同时确保仪器不损失检测灵敏度与准确性。 ●该仪器适用于在测试温度和常压下，化学物质的蒸气与空气形成可燃混合物的燃烧上限及下限浓度的测定，测试中可以使用惰性气体作为稀释剂，但不能使用氧化性比空气强的物质。 该仪器是一款依据 EN 1839、ASTM E918、ASTM E2079、EN 15967、UL9540A等标准为基础开发的测试燃爆特性仪器，可实现爆炸极限、极限氧浓度、爆炸压力、压升速率等燃爆特性的测试。 FPV-400A气体燃烧速率测试仪 安全：配备防爆截止电磁阀，防爆等级 NEMA7 精确：采用视觉图像检测技术，CCD摄像机实时记录火焰状态 自动：自动完成试验过程，并自动记录原始数据、图像，判断试验结果 简便：提供专业 PC操作软件，降低仪器操作难度 该仪器是针对气体燃烧速率的测试设备，可通过观察和记录火焰传播状态，结合软件视频分析求解燃烧速率；通过燃烧速率与可燃气体浓度的函数，计算燃烧速率在化学计量浓度附近达到的最大值。主要应用于锂电池产气风险评估以及对制冷剂的安全分类。 锂电池热失控产气/电解液蒸气二元体系燃爆特性研究：本案例使用ECB-2002A多相高温高压爆炸极限测定仪研究了锂电池热失控喷发的气相可燃性物质，即电池材料分解产气与电解液蒸气二元体系的爆炸极限与爆炸压力。同时，通过在爆炸容器内加热触发电池热失控的方式实现了电池喷发物原位爆炸性检测。 电池材料热稳定性测试 由于锂离子电池的高能量密度与电池材料的自反应特性，电池在滥用条件下容易诱发不可预测的放热和产气行为，并可能导致热失控、火灾或爆炸等严重后果。因此，开发新的电池体系，特别是针对高能量密度和长寿命的设计，需充分考量电池材料的热稳定性并据此改进配方，以提高电池安全性。热分析和量热法是评价电池材料热稳定性的主要方法，可测定得到电池材料热分解反应的热力学和动力学参数。使用BAC-90A小型电池绝热量热仪在绝热环境下测定样品温升速率变化在绝热环境下测定样品温升速率变化，从而通过单位时间内的绝热温升计算样品发热功率。该方法为克级测试，更适合测定非均相样品。 人工配气实验 ：(a)全过程压力变化及(b)爆炸压力与温度变化曲线 BAC-90A小型电池绝热量热仪 原位爆炸实验 ：(a)全过程及(b)爆炸压力与温度变化曲线 先进：参数自学习校正控制，提高温控准确性 锂电池热失控产气气体燃烧速率研究：UL 9540A-2019评价电池储能系统中热失控火焰传播的安全试验方法”标准中明确规定电池产气气体燃烧速率测试纳入电芯级安全测试范畴。本案例依据UL 9540A标准测试方法，使用人工模拟的锂电池单体热失控产气，通过气体燃烧速率测试仪测定了样品的气体燃烧速率。 高效：量热、电压、电流等多种数据协同分析 时品 样品清度(W 安全：过热、过压保护，保证实验人员和装置安全 不同浓度下电池产气火焰传播过程分析 混合气燃烧速率与浓度拟合曲线 1.正极材料、电解液及两者混合物 高镍正极材料、电解液及两者混合物的HWS(a)温升曲线和(b)温升速率-温度曲线 电解液安全性测试 测定热仿真所需关键参数，研究模组、Pack热失控扩散机制 软包电池单体导热系数 电解液具有较高的火灾危险性，室温下暴露在空气中，在微小能量刺激下容易发生闪燃。该仪器是基于连续闭口杯法研制而成的燃烧危险特性专业测试仪器。 动态反演专利技术 TCA 2SC-080两状态法热参数分析仪 ●蒸气压和温度成指数关系，在电池单体泄压阀打开前，电解液的挥发对电池内部压力的升高有20%-30%左右的影响。该仪器是基于三级膨胀法研制的液体挥发性自动、快速测试仪器。 BAD-9DA 热物性测试—比—热容、导热系数 温度对锂电池性能、寿命及安全性具有重要影响。电池热管理系统（BTMS）的职责是确保电池始终工作在合适的温度范围内。对于性能优良的 BTMS，其设计与优化离不开电池充放电产热数据的支撑。 热管理的好坏直接影响电池性能和寿命，锂电池热管理参数测试解决方案通过准确测定热仿真所需的基础参数，可帮助用户实现热管理和热设计优化。 等温量热仪测定不同类型锂电池单体充放电产热功率：如图所示，在充电过程，所有电池在达到截止电压后由于电流逐渐减小，放热量迅速下降。而电池放电过程由于内阻不断增大导致放热量呈现单调上升趋势。另外，适宜的工作温度可以降低充放电产热量，并提高可逆热的占比。在电池充电过程可以观察到明显的吸热峰。 比热容测试 电池绝热量热仪的比热容模式分为比热容恒功率模式与比热容恒速率模式，其基于差式绝热追踪的原理可得到一个温度区间内的平均比热容和变温比热容。 BIC-400A等温量热仪具有小于0.1mW的基线噪声，检测灵敏度高，适用于各类型和不同尺寸及容量的电池。 电池比热容实验：利用差式功率补偿原理，绝热量热仪可测定电池比热容的数据，根据电池充放电过程的温度变化范围，测定该温区内的平均比热容，用于计算电池放热量，测试结果如图所示。 绝热加速量热仪锂电池单体充放电产热测试：利用电池绝热量热仪的充放电产热测量模式，可对充放电过程中电池温度变化进行绝热追踪，得到绝热温升曲线。通过对曲线进行数学处理，并结合比热容的数据，即可准确测定电池充放电产热功率和产热量。本案例中，NCM三元软包电池（61Ah）在 0.2C的充电倍率下，电池绝热温升为 18.29℃，总放热量达到12.78kJ，最大放热功率约为 3.3W。 电池比热容测量结果 导热系数测试 硬壳电池单体导热系数：对于结构更复杂的方形电池，在不拆解外壳的前提下仍然没有有效测试手段，业内大多使用经验值或原理模型进行估计。由于在新能源汽车、储能等领域，方形电池的装机量占比超过80%，远超软包和圆柱电池，因此开发方形电池导热系数测试技术对于行业发展具有更重要的意义。 单体0.2C充电过程绝热温升曲线 单体0.2C充电过程产热功率曲线 方形电池为具有典型核壳结构的非均质样品。一方面，内部卷芯与外部铝壳之间的导热系数差异巨大。壳体的热屏蔽效应将导致前述的软包测试方法失效；另一方面，卷芯与壳体之间的接触热阻也是影响单体传热的关键参数，需同时进行测试评估。 储热释放两状态法—测—试硬壳电池导热系数唯一有效方法：为解决不拆解状态方形电池热参数测量的问题，我们开发了基于红外热像仪非接触式测温与非均质传热模型反演的“储热-释放”两状态测试方法，可通过一次实验同时得到卷芯纵向与面向导热系数，以及卷芯与壳体间的接触热阻。 原创3D测试方法用于软包锂电池导热系数高效精准测试：为了解决Hot Disk法的诸多问题，我们开发了基于红外热像仪测温与三维数据反演技术的3D热物性分析仪。该仪器通过柔性电热片对软包锂电池底部施加脉冲激励，在电池一侧利用红外热像仪进行非接触测温，并通过数据反演计算得出电池的纵向与面向导热系数。 TCA 3DP与Hot Disk法Kx/Kz测试结果对比 硬壳电池等效导热系数的原位测试解决方案 软包电池单体导热系数：软包电池导热系数的主流测试方法可分为稳态法和非稳态法。稳态法作为一种传统方法，对样品导热系数的测定结果相对准确。但是该方法对样品尺寸要求较高、只能得到纵向导热系数且测试时间较长。 TCA 3DP法测得的面向和纵向导热系数数据离散程度较小，其相对标准差基本上控制在3%以内，说明该方法测得结果实验重复性更优。 而非稳态法测试时间短，但是测试准确性不如稳态法。非稳态法中Hot Disk法已在行业内被广泛使用。然而，根据行业内的普遍反馈，Hot Disk法测定的导热系数存在着实验重复性不好、测试结果不准确等问题，限制了仿真模型的准确性和指导意义。 TCA 3DP、Hot Disk与稳态法Kz测试结果对比 利用原创无损检测方法获取软包电池热管理关键数据 为了验证TCA 3DP和Hot Disk两种方法的准确性，我们以稳态法的测试结果作为参标，计算这两种方法测定的纵向导热系数与稳态法的相对偏差，结果如图所示。TCA 3DP法测得的结果与稳态法更为接近，相对偏差在4%~ 11.5%之间，而Hot Disk法测得的结果与稳态法差别较大，相对偏差在61.5%~ 122.7%之间。相比于Hot Disk法，TCA 3DP法测得的导热系数更为准确。 维护保养 现场培训 运行保障 为帮助您尽快熟悉设备操作，工程师提供现场专业培训，以确保您能够正确、高效使用设备 定制化的维护保养服务；专业的安装与调试服务 配件服务 高质量的原厂配件；快速高效的配件更换服务 快捷沟通 校准支持 针对您的使用问题或突现的设备异常，通过一对一线上沟通，快速答疑解惑，帮助您排除问题 提供校准技术支持，校正设备运行误差 在线分享 升级优化 始终致力于为您提供良好的设备使用体验，在线分享丰富的设备操作课程资料 产品软硬件升级服务；产品功能拓展优化服务 维修保障