电池技术测试

英国HEL电池量热仪

优化管理，降低风险

特别为测试各种规格的电池包括大电池，及电池材料、组件的安全性而设计的热安全性测试仪器BTC 绝热加速量热仪。

BTC是传统'ARC'绝热量热仪的升级改进版仪器，是为日趋重要的能源储存领域特别设计的适用性更强、更先进的危害评估工具。
提供绝热量热模式和等温量热模式两种可选，可选择不同的设备，或在一台设备中实现两种功能模式。

• BTC-500|大尺寸，大容量，高活性体系，电池热性能及安全性能测试，绝热量热仪

• BTC-30|台式、小尺寸电池、小容量电池，材料级别，电池热性能及安全性能测试，绝热量热仪

• iso-BTC plus| 落地式，大功率，大尺寸，电池热性能测试，等温量热仪

• iso-BTC| 台式，较小热功率，较小电池，电池热性能测试，等温量热仪

• BTC-MS电池绝热量热仪与高压质谱联用

详情介绍

BTC-500 | 大尺寸，大容量，高活性体系，电池热性能及安全性能测试，绝热量热仪

BTC-500 (电池测试量热仪) 是一种落地式绝热量热仪，针对尺寸较大、容量较大及反应较剧烈的电池单体和小型模组，可实现锂离子电池在耦合或解耦热应力、电应力和机械应力 (滥用)情况下的热安全测试。对电池单体和小型模组进行相关测试，有助于评估电池单体及小型模组的安全性能，定义电池的安全操作极限，并有助于研究锂离子电池热失控和热蔓延机制，开发满足安全需求的热失控及热蔓延抑制策略。

应用领域

安全测试

定义安全操作限制:

• 为避免锂离子电池热失控风险及其可能导致的灾难性后果，必须明确锂离子电池单体、模组和电池包的安全运行极限。因此，需要对电池施加热应力、电应力和机械应力，用以确定电池的安全操作极限。

• 热稳定性数据有助于确定电池的安全工作温度

• 充放电温升可帮助确定不同温度下的最大安全电流

• 过充及过放温升可以帮助确定不同温度下的最高和最低安全电压

• 可以评估不同温度下机械应力和外部短路 (ESC) 的后果

探索热失控和热蔓延

• 极端条件可能导致电池单体热应力增加，引发电池热失控。因此，为了提升电池的安全性甚至开发安全的电池，必须了解电池中热失控的机理，以及热失控如何在模组或电池包内蔓延，以便实施适当的缓解和抑制策略。在BTC-130和BTC-500中进行材料热分解和电池热失控测试时，可同步获取相应的气体压力数据，该数据可以用于电池热失控行为建模。可以检测电池内组分分解的连续起始温度，并估算所释放的热量，进一步揭示电池内的热失控反应机理。测试过程可收集电池释放的气体，并借助在线气体MS或其他气体分析设备，进一步了解反应历程。
  BTC-500可以实现在模组内特定位置触发单体热失控。例如使用针刺、加热或其他可能引发电池短路的方式，触发热失控，并利用设备集成的相机全程录像。通过设计热失控起始位置，可评估模组的热蔓延风险，表征热安全事件的危害程度，并在模组设计时，采取适当的抑制措施，以实现模组整体的散热大于产热。

性能测试

表征电池性能的差异

• BTC-130和BTC-500可用于表征在更极端的工况条件下的电池性能。例如，通过对设备内的电池进行极限工况下的循环，触发电池自产热，并进行绝热跟踪至电池热失控。也可以多次极限循环后，在设备内进行针刺实验，表征电池单体的机械结构稳定性。上述热失控过程都可以使用BTC-500的相机记录。通过自定义的实验，可以实现不同种类电池的安全性对比。

功能和选项

测试类型

• 热应力：BTC-500为经受热应力的电池提供绝热环境，从而表征电池的热稳定性，并提供相关热失控的关键数据及图像。

• 电应力：BTC-500可与充放电设备集成，支持正常充放电、过充及过放测试，也可与外短路设备连接，实现绝热条件下的电-热性能评估。

• 机械应力：BTC-500可配备针刺测试设备，并可用于表征针刺过程的热失控。

• 自动气体采样，用于采气分析。

• 在模组内的特定位置处触发单体热失控。

• 集成摄像机记录测试样品的变化。

• 样品的温场分布 (多点温度测量)。

• 集成在线高压质谱，实现数据实时分析。

• 可扩展接口，实现功能扩展。

• 自定义测试方法编辑。

• 高数据速率采集，高达10,000Hz的温度及压力数据采集，可用于表征极快的反应，可满足超高速采集需求

• 帮助进一步了解热蔓延和热失控的其他功能包括：

电池/样品尺寸

• 圆柱电池(18650尺寸以上)、方形电池、软包电池和小模组。

• 量热腔内部尺寸-500毫米直径/500毫米高。

温度控制

• 标配：环境温度至500 °C。

• 可选: 从-40 °C开始的低温环境温度

智能软件控制与分析

• 控制软件可实现常规数据记录、自定义数据记录项、自定义测试工步及方法、参数控制和反馈回路。

安全功能

• 用户可配置的自动事件检测和软硬件保护，确保用户安全

• 具备可保留样品残骸和可抑制有毒烟雾扩散的安全外壳

• N₂吹扫或热失控后危险气体的安全吹扫

• 在每个系统上安装硬件和软件故障自动保险

BTC-130|台式，小尺寸电池，小容量电池，材料级别，电池热性能及安全性能测试，绝热量热仪

BTC-130 (电池测试量热仪) 是一种台式绝热量热仪，旨在对较小尺寸的电池进行热，电和机械应力测试。对这些测试的评估有助于评估电池单体的安全性能，表征电池的安全运行极限，帮助热失控机理的研究和开发。

应用程序

安全测试

组件危险筛查:

• 电池的使用环境多样，在正常使用和应力条件下，可能导致电池内部过热或过冷。因此，在开发早期了解电池单体在一系列温度下的行为至关重要。如果新的电池具有较低的自产热温度，而散热条件不足，则可能造成电池热失控事故。同样，如果电池内压力快速增加伴随热事件，或者产生有毒气体，也需要重新评估该电池及其内部关键材料的使用可行性。BTC-130可测试尺寸较小、容量较小的电池，通过提供绝热环境，表征电池单体及关键材料的热稳定性，为电池开发提供参考数据。 

定义安全操作限制:

• 为避免锂离子电池热失控风险及其可能导致的灾难性后果，必须明确锂离子电池单体、模组和电池包的安全运行极限。因此，需要对电池施加热应力、电应力和机械应力，用以确定电池的安全操作极限。热稳定性数据有助于确定电池的安全工作温度

• 充放电温升可帮助确定不同温度下的最大安全电流

• 过充及过放温升可以帮助确定不同温度下的最高和最低安全电压

• 可以评估不同温度下机械应力和外部短路 (ESC) 的后果 

探索热失控和热传播

• 极端条件可能导致电池单体热应力增加，引发电池热失控。因此，为了提升电池的安全性甚至开发安全的电池，必须了解电池中热失控的机理，以及热失控如何在模组或电池包内蔓延，以便实施适当的缓解和抑制策略。
  在BTC-130和BTC-500中进行材料热分解和电池热失控测试时，可同步获取相应的气体压力数据，该数据可以用于电池热失控行为建模。可以检测电池内组分分解的连续起始温度，并估算所释放的热量，进一步揭示电池内的热失控反应机理。测试过程可收集电池释放的气体，并借助在线气体MS或其他气体分析设备，进一步了解反应历程。

性能测试

表征电池性能的差异

• BTC-130和BTC-500可用于表征在更极端的工况条件下的电池性能。例如，通过对设备内的电池进行极限工况下的循环，触发电池自产热，并进行绝热跟踪至电池热失控。也可以多次极限循环后，在设备内进行针刺实验，表征电池单体的机械结构稳定性。

功能和选项

测试类型

• 热应力：BTC-130为经受热应力的电池提供绝热环境，从而表征电池的热稳定性，并提供相关热失控的关键数据。

• 电应力：BTC-130可与充放电设备集成，支持正常充放电、过充及过放测试，也可与外短路设备连接，实现绝热条件下的电-热性能评估。

• 机械应力：BTC-130可配备针刺测试设备，并可用于表征针刺过程的热失控。

• 高数据速率采集，高达10,000Hz的温度及压力数据采集，可用于表征极快的反应，，可满足超高速采集需求

电池/样品尺寸

• 圆柱电池、方形电池、软包电池、商用纽扣电池、电池内部材料

• 用于电池材料测试的可选球形测试池 (压力范围1-150 bar)。

温度控制

• 环境温度至500 °C。

智能软件控制与分析

• 控制软件可实现常规数据记录、自定义数据记录项、自定义测试工步及方法、参数控制和反馈回路。

安全功能

• 用户可配置的自动事件检测和软硬件保护，确保用户安全

• 在每个系统上安装硬件和软件故障自动保险

iso-BTC plus| 落地式，大功率，大尺寸，电池热性能测试，等温量热仪

新的iso-BTC plus，可测量电池充电和放电期间的热功率曲线，为优化电池热管理及电池使用寿命提供帮助。基于台式iso-BTC的原理，新的iso-BTC plus允许测量更高的热功率及更大尺寸的电池。

应用程序

性能测试

确定热管理

• 电池在充放电过程的热行为较复杂，深入理解电池的热行为，可以优化电池及模组的电-热行为及安全性，延长使用寿命。

• 热管理策略不当可能导致产品安全性下降甚至导致危险。

• 热管理过度可能导致产品体积庞大、笨重、复杂或成本高昂。

• 对电池充放电热行为理解不充分，可能导致电池使用限制偏差，产生危险。同时，过于谨慎地设置使用限制，会导致电池性能的限制，并增加不必要的生产成本。

放热率 (功率) 和以千焦耳为单位测量的释放能量

• iso-BTC plus的数据可以表征以下工况的电池热行为：

• 正常使用时在各种环境温度和各种充电/放电状态下的热行为。

• 异常但非滥用的情况 (例如，轻度过度充电)的热行为。

• iso-BTC plus数据可以帮助用户在体系开发、电池结构设计、电池热管理系统设计和高性能产品设计方面进行决策。

• iso-BTC plus 数据用于热传导建模，以帮助预测具有复杂几何形状的大型高功率电池的热行为。

• iso-BTC plus在测试期间支持温场分布监控，以识别电池产生更多热量的区域。该信息还可以用于验证热管理策略。

 表征电池性能的差异

• 评估化学体系、电极组成、电池设计、电池类型及电池SOH对热行为的影响，模拟各种温度环境，测量电池在各种充电/放电过程的热量，让用户更深入地理解产品。

  
  

• 重复充电/放电循环对16Ah软包电池释放的热量的影响。1C充电的循环过程的热量变化较小。。0.5C充电 (黄色) 和5C放电 (粉红色) 的循环过程的热量明显增加。

表征电池的质量控制

• iso-BTC plus数据可用于表征电池性能，作为品质控制过程的一部分。这种方法适用于电池制造商和电池集成商。

iso-btc | 台式，较小热功率，较小电池，电池热性能测试，等温量热仪

iso-btc (电池测试量热仪) 是一种等温量热仪，用于表征正常和长期使用条件下电池单体的热行为和电性能。它支持一系列适配器，允许分析各种形式的电池。

应用程序

性能测试

表征电池性能的差异

• 电池的化学体系、电池设计、电池单体类型以及电池当前SOH都会影响电池性能。Iso-BTC能够实现在电池老化或劣化过程中研究这些因素对电池热性能的影响，结合热量与能量的转化率、不可逆容量、放出的热量如何随温度变化以及倍率数据，可用于电池性能建模，帮助用于提升对电池热行为的理解，不断迭代电池的开发。

表征细胞的质量控制

• 电池的关键性能，例如放出的热量及热量与能量的转化率，可以用于表征电池性能，也可以用于电池制造商的品质控制以及电池集成商检查电池性能。使用iso-BTC的数据可以帮助控制电池品质。

确定热管理

• 在正常使用时，电池单体在充电和放电过程会有热量被吸收和放出，并且，在模组内，电池之间可能出现热量传递导致热分布不均匀的情况，这可能引起安全隐患及电池性能差异。

• 如果没有有效的热管理，电池在充放电的热量可能累积，使电池升温，引发电池自产热，导致热失控，因此，电池模组内都会具有控制电池热传递的结构或设计。为了合理设计热传递结构及设计，需要表征电池在一定温度下的充电和放电的热行为，而使用iso-BTC可以为热管理的设计提供必要的数据。

• iso-BTC在测试期间支持温场分布监控，以识别电池产生更多热量的区域。该信息还可以用于验证热管理策略。

功能和选项

试验类型

• 性能测试

• 表征正常和非正常使用下的性能。

• 老化和寿命性能测试。

• 电池行为与充电/放电速率和温度的关系

• 热功率/热量曲线。

• 电池产热量与输入或输出能量曲线

• 电池充电/放电电压曲线

• 电池充电/放电容量曲线 

电池/样品尺寸

• 圆柱电池、小软包电池和小方形电池。圆柱电池需搭配电池适配器。

• 最大测试体积250毫米宽，250毫米深，80毫米高

• 测试样品体积将包括所用适配器体积。 

温度控制

• 标配：-20 °C至90 °C

• 可选：从-40 °C开始的低温环境温度 

智能软件控制与分析

• 控制软件可实现常规数据记录、自定义数据记录项、自定义测试工步及方法、参数控制和反馈回路。

安全功能

• 用户可配置的自动事件检测和软硬件保护，确保用户安全

• N₂吹扫

• 多点样品温度测量

• 在每个系统上安装硬件和软件故障自动保险

BTC-MS丨电池绝热量热仪与高压质谱联用

绝热加速量热方法通常用于揭示化工品的热安全性，一般可以获取反应物在绝热环境下的起始放热温度Tonset、绝热温升ΔTad、最大温升速率(dT/dt)max、至最大反应速率时间TMRad、活化能Ea、指前因子A、反应级数n、压升速率dP/dt等参数，用于指导化工品的安全设计及安全生产。

绝热加速量热方法通常用于揭示化工品的热安全性，一般可以获取反应物在绝热环境下的起始放热温度Tonset、绝热温升ΔTad、最大温升速率(dT/dt)max、至最大反应速率时间TMRad、活化能Ea、指前因子A、反应级数n、压升速率dP/dt等参数，用于指导化工品的安全设计及安全生产。　　 

然而，绝热加速量热仪无法分析反应过程的气体。在反应过程将气体导出分析，会导致测试过程由恒容反应体系变为变压反应体系，反应体系的变化，可导致反应历程变化。并且，将气体导出的过程，可能发生气体冷却及由于温度变化导致的二次反应，从而，无法准确分析反应过程的气体，干扰反应机理解析。为解决这个问题，可以将绝热加速量热仪与在线高压质谱联用，实现反应气体实时分析。

 　　绝热加速量热仪与高压质谱联用原理及实物图如下：

图1 H.E.L BTC-130绝热加速量热仪与质谱连接示意图

图2 H.E.L BTC-130与高压质谱连接图片

　　通过H.E.L的BTC系列产品预留接口，高压质谱与相应绝热加速量热仪相连，从而实现测试池内样品在线分析。

　　下图为16Bar下高压质谱实时分析，该高压质谱实现高压下对3000s内的反应池气体实时分析。

 图3 16Bar下高压质谱分析结果

 为了保证高压质谱与绝热加速量热仪的适配，我司提供满足化工产品分析需求以及锂离子电池分析需求的解决方案，助力化工产品以及锂离子电池安全评估。

BTC-130主要技术参数 :

绝热量热仪温度操作范围：室温-500℃；

样品仓尺寸：直径不小于130mm, 高度不小于200mm。

双加热器设计：样品辅助加热器和腔体加热器协同加热升温。

支持电池样品比热Cp 测试

配置直接原位质谱接口 

BTC-500 主要技术参数：

电池样品绝热量热温度范围：低温-15℃-室温，室温-450℃

不锈钢耐高温高压的绝热量热仪内腔规格尺寸：Φ 500mm X h 500mm

腔体泄压压力设置4bar，可执行气体压力数据采集及气体原位测试

支持比热CP 测试，内置摄像头，惰性气体气氛及气体采集。

配备直接原位质谱接口。 

参考文献：

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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