儀器和測試參數
應用範例
電池隔離膜的 TMA 熱膨脹，以確定取向效應
在鋰離子電池中，隔離膜是一種可滲透的微孔膜，也是一個重要元件，能防止兩個電極之間發生實體接觸，進而預防短路，但是仍可讓鋰離子傳輸，這對電池的功能至關重要。Discovery TMA 450 可以測量隔離膜的尺寸變化和潛在的失效溫度。高度靈敏的尺寸變化測量可以檢測到不同隔離膜方向的熱膨脹和收縮。將樣品切成 24 公厘長，2 公厘均勻寬度，裝在薄膜和纖維探針上在氮氣吹掃下，溫度以 3˚C/分鐘的速度從 -70˚C 升至 200˚C。
結論:
TMA 450 測量隔離膜的熱膨脹，並確定 X 和 Y 軸的取向效應。瞭解取向效應對於防止可能導致電池機械故障的不良膨脹或收縮很重要。
哪些熱事件會導致熱失控？
雖然對電池的熱失控過程仍有待解的問題，但是目前的理解顯示它是由以下一系列事件引發的：隨著電池溫度不斷升高，導致熱失控的放熱反應與鋰離子電池（LIB）的每個內部元件發生破壞性的相互作用；其中一些元素率先被破壞，而大多數元素在失效時會使熱量加速累積。
第一個開始分解的元件是固體電解質界面膜（SEI），通常在 80-120°C（176-248°F）左右開始分解。此時可以減緩熱失控，但是一旦陽極暴露在電解液中，就不再可逆。在反應性陽極表面發生的放熱反應增加系統的熱量，直到下一個臨界溫度。
隔離膜是下一個受影響的元件，其失效有兩個階段：隔離膜在 120-150°C（248-302°F）左右開始熔化並造成小規模短路，然後在 220-250°C（428-482°F）左右破裂，造成更嚴重的內部短路。
以下反應會在前一個溫度範圍之後迅速直接地發生；陰極材料、黏著劑和電解液都開始分解，使電池芯的溫度急劇升到約 800°C（1472°F）。這些反應會產生氣體，增加 LIB 內的壓力。
除了快速發熱外，陰極反應還有一個災難性的副產品，那就是易燃的氧氣。根據具體條件，直接的結果是「熱 + 氧氣 = 失火」或「熱 + 氣體 = 破裂/爆炸」。當然，所有材料都不盡相同，而且可能在這些溫度範圍內或是更高或更低，未來甚至在這些溫度之外，所以必須採用適當的測試為特定的電池選擇最安全的材料。
TGA 熱圖突顯了石墨陽極材料的熱不穩定性
為了避免熱失控並選擇耐熱性最佳的電池材料，電池研究人員會進行差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA）：
DSC：DSC 測量進入或流出材料的熱流，作為溫度或時間的函數。相變化打斷了溫度變化與吸收或釋放熱量之間的熱容量關係，可見於圖表Y軸。從安全操作溫度到熱濫用，它可在各種條件下進行測試。
TGA：TGA 測量樣品質量，作為溫度或時間的函數。一般來說，熱穩定性較好的材料可在質量變化之前達到較高的溫度。
使用 DSC 的測量結果回答下列問題：
- 材料的熔化溫度，Tm
- 材料的玻璃轉化溫度，Tg
- 構成電池的各種材料的最低相變溫度。
使用 TGA 的結果回答下列問題：
- 材料開始分解的溫度。
- 在給定溫度下，因熱分解或氧化分解而損失的樣品質量。
- 在給定溫度下的分解反應（包括氧化反應和熱誘導反應）速度。
- 構成電池的各種材料的最大熱穩定溫度。