ARC是由美國陶氏化學(xué)公司（Dow  Chemical）在20世紀70年代設(shè)計開發(fā)，80年代經(jīng)美國哥倫比亞科學(xué)公司商業(yè)化的一種基于絕熱原理設(shè)計的熱分析儀器。ARC能提供一個控制精確的絕熱環(huán)境，在實驗中，量熱儀溫度保持與樣品溫度同步，能夠模擬電池內(nèi)部熱量來不及散失時放熱反應(yīng)過程中的熱特性，了解真實的電池工作情況。ARC具有以下幾個特點：

　?、贉y量靈敏度高，優(yōu)于DSC  1～2個數(shù)量級；

　　②測量靈活，ARC能對電池組件進行研究，能夠測試不同尺寸和型號的電池；

　　③對不同反應(yīng)的分辨率強，能模擬熱失控情況，給出精確的熱數(shù)據(jù)；

　　④能同時獲得溫度與壓力隨時間變化的曲線；

　?、菽艿玫奖姸酂崽匦詤?shù)，如初始分解溫度、放熱速率、反應(yīng)熱、活化能等。

圖1英國THT公司的ARC設(shè)備圖

　　圖1是ARC設(shè)備的實物照片，設(shè)備包括含有加熱器和溫度傳感器的爐體（絕熱爐）和實現(xiàn)絕熱功能的控制系統(tǒng)。絕熱爐由頂部、周邊和底部  3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，熱電偶用來控制各自區(qū)域的溫度。ARC的絕熱環(huán)境是通過保持樣品室與絕熱爐體的溫度一致來實現(xiàn)的，從而研究樣品在絕熱環(huán)境下的自加熱情況，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2　ARC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　ARC工作基本原理為加熱-等待-搜索（H-W-S）的模式（圖3）。用戶需給系統(tǒng)設(shè)定起始和終止溫度，溫度梯度值和靈敏度值。被測樣品將置于絕熱爐內(nèi)的樣品室，系統(tǒng)首先將樣品加熱到起始溫度，隨后進入等待狀態(tài)，目的是使樣品和量熱儀的溫度一致并達到一個熱平衡。等待期后，將進入搜索模式，該模式下加熱器不供熱，系統(tǒng)通過對比升溫速率和預(yù)設(shè)的靈敏度（通常為0.02℃/min）來尋找是否有放熱，如升溫速率高于預(yù)設(shè)值，儀器將自動進入“放熱”狀態(tài)，系統(tǒng)會把溫度、升溫速率和壓力數(shù)據(jù)記錄下來，整個過程樣品始終處于絕熱狀態(tài)，H-W-S操作模式邏輯見圖4。如果儀器沒有監(jiān)測到放熱反應(yīng)，系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)入加熱模式，根據(jù)溫度梯度值自動升上一個溫度梯度，開始另一輪的“加熱-等待-搜索”，一直持續(xù)到設(shè)定的最終溫度或探測到放熱為止。

　　通過ARC可以對正、負極材料、電解液的熱反應(yīng)溫度、放熱量等進行測試，可以對鋰離子電池正、負極材料、電解液的安全性進行研究，分析導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э氐脑颉﹄娊庖褐械奶钾摌O進行ARC試驗可以研究SEI膜的熱分解。ARC除了能對電池組件材料進行熱特性分析外，還能對不同型號、尺寸大小及用途的鋰離子電池進行熱特性分析。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室馮旭寧等人發(fā)表了國際上第一個采用ARC測試大容量動力電池?zé)崾Э亓亢蜔嵫芯康慕Y(jié)果。他們采用ARC技術(shù)測試了25Ah的NMC/Gr電池，型號是厚度26mm的VDA規(guī)格，兩個電芯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在電池內(nèi)部預(yù)埋了兩個熱電偶：一個在兩個卷心中間，一個在泄壓閥位置，另外再在電池殼體上安裝了兩個熱電偶，具體如圖5所示。

圖5測試電池?zé)犭娕及惭b位置示意圖

　　將電池放入樣品室進行ARC測試，檢測四個熱電偶的溫度以及電池電壓，測試過程中溫度、電壓隨時間演變曲線如圖6所示。最高溫度出現(xiàn)在兩個卷芯中間位置（圖5中的位置1），為853℃。根據(jù)圖6，電池?zé)崾Э剡^程存在幾個共性特征溫度：

　　T1：自生熱起始溫度（一般大于100C°）

　　T2：溫升速率開始下降溫度

　　T3：熱失控觸發(fā)溫度（一般大于200C°）

　　T4：熱失控最高溫度（500C°-1000C°）

圖6 電池?zé)崾Э剡^程溫度、電壓演變曲線

圖7各溫度點對應(yīng)的溫升速率

　　根據(jù)圖6所示三個特征溫度以及圖7所示各溫度點對應(yīng)的溫升速率，NMC電池ARC測試過程的熱失控可以劃分為6個階段：

　　階段1：隨著測試加熱溫度不斷升高，電池容量衰減，鋰離子從負極脫出。

　　階段2：達到T1溫度，電池開始出現(xiàn)自生熱，此階段，由于高溫電池容量繼續(xù)衰減，同時出現(xiàn)負極SEI膜分解，電解液持續(xù)與負極表面反應(yīng)生熱。

　　階段3：達到T2溫度，如圖7所示，溫升速率下降，這是由于隔膜發(fā)生溶解吸收部分熱量。

　　階段4：由于隔膜溶解，電池內(nèi)部出現(xiàn)微短路，同時負極發(fā)生分解消耗電活性物質(zhì)，溫升速率不斷上升。

　　階段5：達到T3溫度，熱失控觸發(fā)。由于隔膜大面積熔化，大面積劇烈短路發(fā)生，同時伴隨著正極材料分解、電解液分解、粘結(jié)劑分解等劇烈反應(yīng)生成大量熱，很快達到最高溫度T4。一般將溫升速率大于1℃/s時對應(yīng)的溫度點定義為T3。

　　階段6：殘余反應(yīng)發(fā)生導(dǎo)致很小溫升，同時設(shè)備開始對測試過程進行冷卻。

圖8電池?zé)崾Э馗麟A段溫度范圍示意圖

　　各個階段溫度范圍以及對應(yīng)電池內(nèi)部反應(yīng)過程如圖8所示，正是基于電池ARC測試以上基本共性特征，ARC技術(shù)正廣泛應(yīng)用于研究電池?zé)岚踩匦浴Ａ硗猓瑢RC測試還可以拓展應(yīng)用，如增加熱成像儀攝像，反應(yīng)壓力在線檢測，氣體在線檢測等。