揭秘“無熱可逃”——電池絕熱溫升測試的核心原理與運行機(jī)制

在電化學(xué)儲能系統(tǒng)向大容量、高能量密度方向快速發(fā)展的背景下，鋰離子電池在異常工況下的熱安全風(fēng)險日益凸顯。電池絕熱溫升測試正是在此背景下誕生的一種核心安全性評估方法。所謂絕熱溫升，并非單純測量電池在加熱條件下的溫度變化，而是在近似無熱交換條件下，評估電池因內(nèi)部副反應(yīng)而產(chǎn)生的自發(fā)溫升行為。該測試通過模擬電池內(nèi)部熱量無法及時散失時的放熱反應(yīng)過程，揭示熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界條件。

一、揭秘“無熱可逃”——絕熱溫升測試的核心原理與運行機(jī)制  

1.1ARC工作原理的底層邏輯  

電池絕熱溫升測試的核心設(shè)備是絕熱加速量熱儀。ARC是一種基于絕熱原理設(shè)計的高精密分析儀器，其核心技術(shù)在于通過精確控制環(huán)境溫度，使其與樣品溫度實時保持一致，為被測樣品創(chuàng)造近乎無熱量損失的測試環(huán)境，從而模擬物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)或熱分解過程中的真實熱行為。  

ARC主體結(jié)構(gòu)包括測試艙、氣路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。絕熱爐由頂部、周邊和底部三部分組成，頂部和底部各含有2個加熱器和1個熱電偶，周邊則含有4個加熱器和1個熱電偶，熱電偶用于獨立控制各自區(qū)域的溫度，使樣品室與絕熱爐體的溫度始終保持一致。整個爐腔采用隔熱桶加陶瓷纖維隔熱件的復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大限度地降低熱損失。  

1.2HWS模式的工作原理  

ARC最典型的工作模式為“加熱-等待-搜尋”（HWS）模式。用戶首先設(shè)定起始溫度和終止溫度、溫度梯度值和靈敏度值。系統(tǒng)將樣品加熱到起始溫度后進(jìn)入“等待”狀態(tài)，使樣品和量熱儀的溫度一致并達(dá)到熱平衡。等待期結(jié)束后進(jìn)入“搜索”模式——此時加熱器不供熱，系統(tǒng)通過對比升溫速率和預(yù)設(shè)靈敏度（通常設(shè)定為0.02℃/min）來探測樣品是否發(fā)生自放熱。  

若溫升速率高于預(yù)設(shè)閾值，儀器自動進(jìn)入“放熱”狀態(tài)，全程保持絕熱環(huán)境，系統(tǒng)實時記錄溫度、升溫速率和壓力數(shù)據(jù)。若未檢測到放熱反應(yīng)，系統(tǒng)則自動轉(zhuǎn)入下一個加熱臺階，按溫度梯度升高溫度，開始下一輪HWS循環(huán)，直到達(dá)到設(shè)定終止溫度或探測到顯著放熱為止。這種階梯式逼近的策略，雖然耗時較長，但相比傳統(tǒng)溫掃模式具有更高的精度與可靠性。  
 

二、步步為營——從樣品預(yù)處理到熱失控判定的全流程實戰(zhàn)指南  

2.1樣品準(zhǔn)備階段  

樣品準(zhǔn)備是整個測試過程的基礎(chǔ)，直接決定測試結(jié)果的可靠性。首先需要對電池樣品進(jìn)行充分的表面清理，對于硬殼電池，可撕除表面導(dǎo)熱性不佳的PET藍(lán)膜，使熱電偶與電池表面更緊密貼合。隨后按標(biāo)準(zhǔn)方法對電池進(jìn)行活化處理及荷電狀態(tài)（SOC）調(diào)控：電池須在1It倍率下放電至終止電壓，擱置1h后以相同電流恒流充電轉(zhuǎn)恒壓充電至終止電流條件。完成預(yù)處理后，在電池表面多點安裝溫度傳感器——一般至少包括正極、負(fù)極及殼體中部三點位置。同時登記電池質(zhì)量、型號、電壓等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并留存圖像資料。  

2.2溫差基線校準(zhǔn)  

在正式絕熱測試之前，必須執(zhí)行溫差基線校準(zhǔn)。由于量熱腔內(nèi)可能存在微小的溫度分布不均勻，為防止絕熱追蹤階段量熱腔壁面對樣品產(chǎn)生過加熱或欠加熱，需利用與電池同尺寸的鋁質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行校準(zhǔn)。實驗溫度區(qū)間推薦覆蓋50℃至200℃，臺階升溫步長通?？刂圃?5℃及以下，恒溫時間根據(jù)鋁塊質(zhì)量按“50+40×鋁塊質(zhì)量（kg）”的公式調(diào)整。恒溫時間不足會導(dǎo)致試樣溫度無法達(dá)到平穩(wěn)，將影響溫差基線校準(zhǔn)的有效性。  

校準(zhǔn)完成后，還需在HWS模式下用鋁塊驗證校準(zhǔn)文件的有效性。統(tǒng)計每個臺階達(dá)到溫度平衡階段后鋁塊的溫升速率，若溫升速率均遠(yuǎn)小于檢測閾值（如0.02℃/min），則判定校準(zhǔn)合格。這是確保絕熱環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。  

2.3絕熱溫升模式主測試  

溫差基線校準(zhǔn)合格后，正式進(jìn)行絕熱溫升模式測試。依據(jù)GB/T36276-2023標(biāo)準(zhǔn)要求，測試參數(shù)設(shè)定如下：起始溫度40℃，溫升步長5℃，終止溫度130℃，溫度采樣周期0.01min。將已完成初始化充電的試驗樣品置于絕熱模擬裝置內(nèi)，連接溫度數(shù)據(jù)采樣線后啟動測試。  

測試流程為分段推進(jìn)方式：首先加熱樣品至表面溫度40℃，恒溫靜置5h記錄時間與溫度變化；隨后加熱至45℃，恒溫靜置1h記錄數(shù)據(jù)；在當(dāng)前溫度下恒溫20min，計算并記錄溫升速率；以5℃為步長逐級升溫至130℃，在每個溫度臺階重復(fù)上述恒溫與追蹤步驟。這種逐級推進(jìn)的方式，本質(zhì)上是逐步逼近電池?zé)岵环€(wěn)定區(qū)間，在每一溫度點進(jìn)行充分靜置觀察，判斷電池是否已進(jìn)入自放熱反應(yīng)階段。當(dāng)溫升速率大于0.02℃/min時，即判定為熱失控臨界狀態(tài)。  

測試全程必須實時記錄關(guān)鍵特征參數(shù)，包括自放熱起始溫度（Tonset，即溫升速率≥0.02℃/min的溫度）、熱失控起始溫度（TTR，即溫升速率突增至10℃/min以上的臨界點）、峰值溫度（Tmax）及泄壓溫度（TV）、最大溫升速率及最大壓升速率等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需以不低于1s的采樣周期持續(xù)記錄時間、溫度、溫升速率及壓力變化。  

2.4測試終止與初步分析  

當(dāng)測試達(dá)到終止溫度130℃或探測到顯著熱失控信號時，停止加熱，待樣品溫度恢復(fù)至室溫后取出，拆除采樣線。在整個測試過程中，必須詳細(xì)記錄出現(xiàn)的一切異?，F(xiàn)象，包括電池膨脹、漏液、冒煙、起火、爆炸、外殼破裂及破裂位置等信息。  

三、守護(hù)精密度——ARC設(shè)備深度維護(hù)與日常保養(yǎng)之道  

電池絕熱溫升測試對設(shè)備的依賴度高，儀器的校準(zhǔn)與維護(hù)直接關(guān)乎測試精度和設(shè)備壽命。  

3.1日常清潔與保養(yǎng)  

爐腔清潔是每次實驗后必須執(zhí)行的基本操作。實驗結(jié)束后，待爐腔內(nèi)溫度降至40℃以下，小心分離夾具、樣品熱電偶及電壓采集線與電池殘?。慌宕鞣雷o(hù)手套取出大塊固體殘骸，用工業(yè)吸塵器清理爐蓋、爐壁、爐底的粉塵及細(xì)小碎塊，并用酒精濕巾擦拭爐腔內(nèi)明顯的電解液殘留。需要注意的是，清理密閉型ARC前必須先排出腔體內(nèi)氣體，避免電解液殘留導(dǎo)致短路。  

觀察視窗玻璃的清潔同樣不容忽視。實驗前查看觀察視窗玻璃，若有明顯污漬可用酒精濕巾緩慢擦拭清理。清理后查看軟件界面畫面，若視野清晰則可繼續(xù)使用，否則需更換視窗玻璃。更換時禁止使用工具敲擊，安裝過程必須嚴(yán)謹(jǐn)以確保設(shè)備密封性。  

熱電偶是溫度測量的核心部件，需定期檢查其靈敏度和準(zhǔn)確性。更換熱電偶時需標(biāo)記法蘭盤原始位置，采用對角方式擰松螺絲，確保密封圈位置不變，安裝后用耐高溫膠帶固定連接處。對于延長線，還需加裝耐高溫材料以避免高溫導(dǎo)致外層保護(hù)層短路或斷路。感溫探頭尤其需要防止碰撞損傷。  

3.2周期性校準(zhǔn)  

溫差基線校準(zhǔn)建議根據(jù)儀器使用情況定期執(zhí)行，一般推薦8至10個臺階，且溫差基線溫度應(yīng)覆蓋啟動區(qū)間溫度、自放熱起始溫度Tonset和熱失控起始溫度TTR。熱電偶溫度校準(zhǔn)通常在樣品溫度顯示值與標(biāo)準(zhǔn)值相差超過±1℃時進(jìn)行。將熱電偶拆卸后放入校準(zhǔn)裝置并設(shè)置測試溫度點，運行控制軟件記錄標(biāo)定數(shù)據(jù)，以樣品溫度為自變量、標(biāo)準(zhǔn)溫度與樣品溫度的溫差為因變量進(jìn)行擬合。壓力校準(zhǔn)方面，當(dāng)常壓下壓力顯示值與標(biāo)準(zhǔn)值相差超過±20kPa時即需進(jìn)行壓力零點校準(zhǔn)。此外，建議每季度進(jìn)行一次全面校準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)樣品驗證設(shè)備精度，并記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以追蹤性能變化。  

3.3設(shè)備密封性檢查與故障處理  

設(shè)備密封性直接影響測試結(jié)果的可靠性。正壓保壓檢查時，使用壓縮空氣或氮氣將爐腔內(nèi)壓力充至0.35MPa以上，壓力穩(wěn)定后觀察30min，若壓力下降值≤1kPa則正壓保壓合格；負(fù)壓保壓檢查則利用真空泵將爐腔內(nèi)壓力抽至0.01MPa以下，保壓30min后若壓力上升值≤1kPa則合格。  

常見故障處理方面，若熱失控曲線出現(xiàn)多個Tonset溫度，可能與校準(zhǔn)文件不理想有關(guān)，此時應(yīng)重新進(jìn)行溫差基線校準(zhǔn)并延長恒溫時間。產(chǎn)氣收集與排放時必須做好防護(hù)措施（防毒面具、實驗服、防護(hù)手套等），收集后須使用專業(yè)尾氣處理裝置排放。為揮發(fā)熱失控后難以全部去除的電解液殘留，可在實驗后將爐壁及爐蓋保持分離狀態(tài)，開啟250℃恒溫2小時充分揮發(fā)。另外，爐體長時間閑置時，應(yīng)用溶劑將樣品池及儀器管路清洗干凈，重新使用時需進(jìn)行短時間預(yù)熱。  

3.4長期存放與電氣系統(tǒng)維護(hù)  

長期不用的儀器應(yīng)定期通電，保持電路暢通；設(shè)備應(yīng)存放在干燥、通風(fēng)的環(huán)境中，避免陽光直射和潮濕環(huán)境。定期檢查電氣系統(tǒng)，包括電線、插頭、開關(guān)等部件是否完好無損，對于老化或損壞的電氣部件要及時更換。對于旋轉(zhuǎn)部件和滑動部件要定期進(jìn)行潤滑保養(yǎng)以減少磨損。同時，定期檢查并更新設(shè)備軟件，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能完整性。  

四、標(biāo)準(zhǔn)與實踐——解讀GB/T36276-2023下的工程邏輯  

GB/T36276-2023《電力儲能用鋰離子電池》自2024年7月1日正式實施后，對絕熱溫升特性試驗的要求進(jìn)行了全面修訂。新舊版本在試驗方法、技術(shù)要求等方面均有顯著調(diào)整：舊版以0.5℃/min速率升溫、每升溫10℃恒溫20min，而新版改為起始溫度40℃、溫升步長5℃、終止溫度130℃、采樣周期0.01min，更接近HWS模式的實際應(yīng)用。新版標(biāo)準(zhǔn)還明確了裝置的技術(shù)指標(biāo)（溫度范圍20-300℃、精度±2℃；20-150℃時溫度波動度±0.05℃）以及檢驗合格標(biāo)準(zhǔn)：電池表面溫度不超過電池單體高溫一級報警溫度時，溫升速率應(yīng)小于0.02℃/min，且不起火、不爆炸、不在防爆閥或泄壓點外破裂。  

新版標(biāo)準(zhǔn)從試驗方法到設(shè)備指標(biāo)再到評判標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了完整的閉環(huán)評估體系，為行業(yè)提供了更為科學(xué)、更具可操作性的技術(shù)規(guī)范。  

五、防患于未“燃”——絕熱溫升測試對儲能安全的技術(shù)價值  

電池絕熱溫升測試的最終價值，不僅在于獲取一系列熱特征參數(shù)，更在于為電池安全設(shè)計與熱管理策略提供量化依據(jù)。與動力電池相比，儲能電池系統(tǒng)單體數(shù)量多、系統(tǒng)能量大、長時間處于充放電或待機(jī)狀態(tài)，一旦發(fā)生熱失控，事故影響范圍更廣。絕熱溫升特性試驗?zāi)軌蛱崆白R別電池體系的自放熱起點、判斷溫升是否呈現(xiàn)失控趨勢、為熱管理設(shè)計提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸入。  

通過ARC測試獲得的Tonset、TTR、Tmax等參數(shù)，可用于優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的預(yù)警閾值與散熱策略。相關(guān)數(shù)據(jù)還可用于儲能系統(tǒng)安全預(yù)警和電池安全設(shè)計的優(yōu)化迭代。隨著電池能量密度的持續(xù)提升和應(yīng)用場景的日益復(fù)雜，絕熱溫升測試的重要性將愈發(fā)凸顯，對于保障電池系統(tǒng)的全生命周期安全具有不可替代的戰(zhàn)略意義。