加速绝热量热仪arc使用方法

ARC使用方法1基本原理加速绝热量热仪（adiabaticratecalorimeter,ARC）是能在安全受控的实验环境下提供绝热量热数据的仪器。使用加速绝热量热仪（adiabaticratecalorimeter,ARC）对18650电池进行加热，并跟踪记录热失控发生过程温度的变化。其测试原理是，采用热电偶直接接触法对样品进行加热，再在多处安置温度传感器，包括紧贴样品的温度传感器以及测试腔顶部、底部、侧壁（PHI-TEC型无侧壁温度传感器），和压力传感器，对整个测试进行实时检测。可以得到样品温度、压力、温度升高速率、压力升高速率等随时间的变化。ARC对样品放热的检测灵敏度非常高，能准确测出放热反应的起始点温度。整个测试过程是通过在线绝热补偿进行的。其基本原理是：实际温度=样品温度+对流损失+传导损失，一般而言，反应池等条件确定时，对流损失与压力和温度有关，传导损失仅与温度有关，前提是保证样品温度的准确性。测试过程中，样品加热丝按照设定的升温程序对样品进行加热，样品温度传感器检测样品温度，测试腔其他传感器检测腔体内环境温度。测试腔体内的加热器对腔体进行加热，确保样品温度和测试腔体温度一致来保证“绝热”的效果。当样品达到触发放热反应的温度后，样品放热升温，当其升温速率超过检测限时，样品加热丝自动停止加热，腔体内的加热器持续加热仍确保墙体内环境温度与样品温度一致。最终通过热电偶加热的情况可计算出样品反应放热的情况，包括反应活化能、反应级数、频率因子、绝热温升、反应热等等。ARC中，温度传感器用的是K型热电偶，其量程为0-500℃，压力传感器的量程为0-250bar。下图为ARC（HEL型）测试腔的示意图。图1测试腔示意图2测试方法PHI-TECI型将18650电池装入特制的测试池中，如下图所示：图218650电池测试池拧紧测试池的盖子，测试池顶端有接入压力传感器的通道，侧壁有温度传感器的接入点。将装有18650电池的测试池接入加速绝热量热仪PHI-TECI的样品接口，并缠绕上加热丝，连接好压力传感器和样品温度传感器。关闭测试腔，打开加热开关和循环油浴开关。运行程序前先进行检漏测试。确保无漏气。检漏方法为，从测试腔上方的球阀处接入高压气瓶，施加压力，然后移除外接气体，在所有接口处涂抹检漏液（如肥皂水），观察是否有气泡冒出。确保无漏气方可进行测试。PHI-TECI如下图所示：图3PHI-TECI打开软件Win-ISOPHI-TECI，如下图所示：温度传感器测试池接口样品加热丝压力传感器温度传感器测试腔图4Win-ISOPHI-TECI主界面在菜单栏中选择Plan→Select→Standardtests→Heat/Wait/Search程序，如下图：图5程序选择出现参数设置窗口，设置测试参数如下图所示：图6参数设置标准参数设置依据：一、加热参数设置1、初始测试温度。该温度设为90℃，该温度需要满足保证样品（电池）自身在这个温度下不会发生热失控反应，系统从室温通过直接加热，无需校正达到这个温度。若设得太高，有可能在到达这个温度前就已经发生热失控，但若设得较低，则达到该温度后需要花大量时间在阶梯升温和矫正上，根据实践知设为90℃较为合理。2、温度增量。设为5℃，它表示到达初始测试温度后，经过初次校准后每次升高的温度。因为已经处于加热-校准阶段，温度每升一个阶梯都要进行校准，设为5℃较为合理，若温度增量太大，不能在短时间内校准好温度，因此不能保证绝热，且可能在加热阶段样品就已发生热失控，但未及时进入校准和等待阶段而造成初始放热温度值不准确。而若设得太小，会增加加热-校准的次数，影响效率。3、主加热器补偿温度。该值设为0℃，它表示除了升温阶段外，校准阶段和等待阶段都无需主加热器进行加热，只需要辅助加热器对系统进行微调。4、初次校准时长。该值设为60min，为到达初始测试温度后需要校准的时间。该时间一般需要设置比较长，来保证样品温度（测试池温度）和测试腔内环境温度一致。若初次校准时间不够长，温度误差会逐级积累，影响后面的温度校准情况，导致不能达到绝热的效果。5、后续校准时长。该校准为阶梯升温后的校准，在60min初次校准的基础上，逐级升温后，只需要15min基本就能达到环境温度和样品温度一致了。二、校准参数设置1、等待时长。该值设为10min，它表示每次经过校准后需要等待的时长，在这段时间内，若温度曲线能保持稳定，温度差不超过检测限并不会跌落，则启动下一次加热。若出现温度跌落，说明系统不稳定，则自动进行一次长校准（60min）才能进入下一次升温-校准。三、搜索参数设置1、最高搜索温度。该值设为250℃。表示如果持续阶梯的加热-校准-等待到达250℃后仍未出现热失控，则停止加热，结束程序。2、最高搜索压力。该值设为70bar。同上，若在阶梯升温阶段，压力已经到达该值而未发生热失控，则停止。3、跟踪温度检测限。检测限设为0.03℃/min，表示在加热完成后，如果样品温度的升高速率达到该值，则认为可能发生了热失控反应，进而进入跟踪模式。一般而言，0.03℃/min的放热速率是一个较适合的检测限。4、搜索时长。设为5min，表示若达到检测限以上的放热速率能持续5min，则说明热失控反应确实发生了，进入搜索阶段。该值最小能设5min，在前面进行好的校准的情况下，若能持续保持放热速率超过检测限5min，足以说明热失控发生。四、跟踪参数设置1、最高跟踪温度。考虑到安全性和仪器量程一般设为250℃。表示，放热反应达到该温度后系统强制降温。2、最高跟踪压力。同上，一般设为70bar。3、放热结束检测限。一般设为0.01℃/min，表示当反应的放热速率低于该值时，认为自放热反应已经结束。该值一般低于跟踪温度检测限。五、搅拌设置在用18650电池做热失控测试时，无需搅拌，所以选择“No”。六、冷却装置设置该实验中，若热失控放热温度超过最大设定值，需要进行降温，所以装置开关选择为“On”，循环油浴温度选择-30℃。参数设置完成后点击runplan开始程序，得到样品（电池）温度、测试池顶端温度、测试池底端温度、测试池压力、样品温度变化率、压力变化率等随时间的变化数据。当测试池温度达到设置的程序终止后，程序停止，系统降温。最后得到测试的原始数据（dat文件）。3数据处理使用iQ1.2.12数据处理软件，进入主界面，如下图所示：图7数据处理软件主界面数据导入点击File→open导入原始数据文件，如下图所示：图8数据处理软件导入数据图表绘制点击图标进入新图标绘制界面如下图所示：图9新图标窗口点击图标，进入图表编辑窗口如下图所示：图10图表编辑窗口可以选择横坐标和纵坐标选项，例如选择时间为横坐标，选样品温度为纵坐标，点击OK按钮进行作图，如下图所示：图11示例图示例图曲线解读：横坐标为时间，纵坐标为样品温度，在600min前，系统处于程序升温（Heat-Wait）阶段，每次升温都要进行校准和等待，在阶梯升温至600min后，样品发生热失控，热失控时温度约为100℃，此时温度升高值高于放热检测限，系统进入跟踪（Search）阶段，记录样品自身的温度升高，直至达到系统设置的最高温度，强制降温到设定值。完成整个实验。热量计算点击数据处理软件主界面工具栏上的图标进行热量计算。如下图所示：图12热量计算窗口根据计算窗口的提示，选择好计算区间，一般选择热失控反应发生的开始为起始点（即温度开始自动提升的地方），选择温度的最高点为终点（温度最高点表示放热结束或者已经到达需要冷却控制的温度）。根据提示还需要输入加热功率、样品比热容、样品质量、测试池比热容、测试池质量。最终可在结果窗口中得到计算的热量和反应级数等结果，结果窗口鼠标右键可将结果另存为sum文件。热量计算的原理为：通过在区间内积分计算，可以得到热量Q。同时，温度变化率和压力变化率也是衡量电池安全性的重要标志。