加速量热仪(arc)在锂离子电池安全评估中的应用

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1、加速量热仪(ARC)在锂离子电池安全评估中的应用金慧芬天津力神电池股份有限公司CIBF2008.06.25主要内容1.基本介绍2.ARC系统及基本工作原理3.工作界面,工作模式及测试模式4.测试样品所需提供的参数及数据分析5.ARC在锂离子电池安全评估中的应用5.1安全评估的重要意义5.2正极材料5.3负极材料5.4电解液5.5全电池5.6材料分解机理研究1.基本介绍•加速量热仪是由美国DOW化学公司在上个世纪七十年代研制成功的。1979年，首次作为商业化的仪器来出售。加速量热仪设计的目的是模拟放热的化学反应并记录和储

2、存该过程的信息数据：时间、温度和压力。主要的设计特点是拥有非常高的绝热环境，可以由小规模的实验测试结果外推到大的工业规模。•和以往的相比，THT公司的加速量热仪具有这几个特点：持续、改进和扩充。既保留了最初的加速量热仪的尺寸大小和相似的测试方案，又扩充了它的用途。这里主要指它在电池研究方面的应用。THT-ARC有以下三个增加选项：（a）电池循环单元-KSU（b）电池安全单元-BSU(c)气体排放单元-FEU2.ARC系统及基本工作原理P/Transducer8J/Heaters3J/ThermocouplesCalor

3、imeterAssemblyR/HeaterB/ThermocoupleLSUHSUPCPSUElectricalMan/MachinePowerInputInteraction3.工作界面,工作模式及测试模式工作界面工作模式类型•加热模式•等待模式测试模式类型•搜寻模式•标准测试加热-等待-搜寻•冷却模式•恒温测试•放热模式•漂移检测•恒温模式•校准测试•空转模式•干燥或退火测试标准测试:加热-等待-搜寻基本流程图IfT>TFHeatWaitCoolIdleEndtestdT/dt

4、onsetExothermicdT/dtTF4.测试样品所需提供的参数及数据分析测试样品所需提供的参数数据分析1.数据类型•样品的组成（纯度）*.INI*.CAL*.DAT*.EXO*.BAT•样品的密度2.曲线类型•样品的比热a.通过原始数据所得曲线•样品的重量b.通过计算所得曲线图a.通过原始数据所得曲线b.通过计算所得曲线图•温度、压力—时间图（动力学和热力学分析）•自加热速率—时间图•升压速率—时间图•到达最大温升速率的时间—温度图•温度—压力图•活化能的确定•自加热速率—温度图•动力学建模

5、•升压速率—压力图•反应热的确定•自加热速率—升压速率标准样品DTBP/Toluene标准测试实时数据曲线:样品放热反应期间温度,压力DTBP/Toluene随时间变化图从图中可以看到放热反应110℃左右开始到200℃左右结束标准样品DTBP/Toluene自加热速率随温度变化图该图可以确定最大安全温度和到达发生爆炸的时间，这个曲从该图上可以得到反应热，线总用Ф值来修正，并且经常应用模型可以得到动力学信可以外推息标准样品DTBP/Toluene实验数据和模型数据相比较数学分析，可以计算活化能、反应热5.ARC在锂离子电

6、池安全评估中的应用5.1安全评估的重要意义5.2正极材料5.3负极材料5.4电解液5.5全电池5.6材料分解机理研究5.1安全评估的重要意义(电池安全设计提供指导)近期锂离子电池爆炸所造成的事故近期锂离子电池爆炸所造成的事故DellApple•EV/HEV所用的大型电池(散热差,能量大)HP•热失控–高功率、大电流输出–过度充电–滥用或短路•在电池内部会积累热量、增加内压•由于有机电解液的存在，电池可能会燃烧或爆炸5.2正极材料(粒径,电解液成分及材料合成条件)SEMpicturesofthreeLiCoOwithdi

7、fferentparticle2sizes(0.8um,2um,and5um,respectively)Self-heatingratevs.temperatureforthethreeLiCoOsampleswith1MLiPFEC/DEC0.526Stoppedat220℃Self-heatingratevs.temperatureforthethreeSelf-heatingratevs.temperatureof100mgofLiCoOsampleswithEC/DECsolvent0.52Li[(NiMn)C

8、o]O(900,1000,and1100℃)chargedto0.50.50.20.82Source:ElectrochimicaActa49(2004)2661-26664.2V(solidline)or4.4V(dashedline)with100mgof1.0MLiPFEC/DECelectrolyte65.3负极材料(材料