Hot Cell®传感器能够直接且非常准确地测量任何复杂结构或几何形状样品的比热容(Cp)。其独特之处在于传感器可按比例放大，以适应各种几何形状的比热容测试，包括体积庞大的样品或组件，如数十厘米长宽的软包电池。与其他技术，如差示扫描量热法DSC这种只能测量很小体积样品的方法相比，Hot Cell®方法能测试完整电池，提供包括外壳、电极、监控电路等在内的真正Cp值，这是其他技术无法实现的。
图1，Hot Cell®传感器，专为电池热性能测试设计，适用于纽扣电池（左侧）、软包电池（中间）及圆柱电池（右侧）的测试。
在绿色能源转型的大潮中，可充电电池作为能源存储组件，扮演着举足轻重的角色。它们对于提升电动汽车续航里程至关重要，而电池性能的稳定，离不开有效的热管理。电池的热管理不仅依赖于其各向异性的导热特性，更与比热容特性紧密相关。对于电池制造商而言，精准掌握电池的比热容，是确保电池性能稳定的关键。
在此我们说明了采用新型的Hot Cell方法，轻松测试三种常见电池的比热容。Hot Cell®传感器由带盖的铝制容器和TPS元件组成，通过绝热泡沫固定电池，并利用TPS元件进行加热产生几度的温度升高。容器形状可根据电池类型调整，确保测试准确性。圆柱形电池测试相对更具挑战性，因接触面积有限，加热时间较长。此时，可使用硅油改善热接触，提升测试效率。图2展示了Hot Cell®传感器在绝热泡沫中嵌入圆柱形电池进行测试的场景。
图2展示了Hot Cell®传感器在电池测试中的应用，具体为一个高圆柱形铝制电池单元，接触TPS元件并内嵌在绝热泡沫中。
比热容测量流程：使用Hot Cell®传感器进行比热容测量需两次瞬态温度记录。首次记录为空载（无样品）时的铝制电池单元温度响应，作为参考Hot Cell传感器的比热容；第二次记录则包含样品，提供样品与传感器的组合比热容。通过对比两次测量结果，可高精度地计算出样品本身的比热容。图3展示了铝制样品盒内，在有/无圆柱形电池样品时的瞬态温度记录
图3展示了使用Hot Cell®传感器型号AL-D50-H85进行的瞬态温度记录示例。在没有电池样品2（圆柱形锂离子电池型号21700）的情况下，温度记录曲线为红色；在有该电池样品的情况下，温度记录曲线为绿色。测量功率在无电池样品时为500 mW，在有电池样品时提升至800 mW。
电池样品
本应用说明中，我们展示了使用Hot Cell1方法进行直接比热容（Cp）测试的过程。测试涉及六个不同尺寸和类型的锂离子电池样品，包括两个圆柱形电池、两个纽扣电池以及两个软包电池。表1详细列出了这六个电池样品的信息，以及为每个样品应用的Hot Cell®传感器型号。由于隐私保护原则，我们未透露提供这些样品的电池制造商信息。
表1，锂电池样品及Hot Cell传感器信息
测量结果
所有在此报告中披露的测试均采纳Hot Disk TPS 2500 S仪器进行。在针对锂离子电池样品实施测试前，我们已利用Hot Cell®传感器对不锈钢验证样品完成了预先测试。表2详细罗列了验证样品的各项信息、所采用的测量条件以及Cp（比热容）的测试结果。为供比对参考，我们亦纳入了采用标准Hot Disk2方法所得Cp结果的对照数据，并分析了其间差异。借助Hot Disk传感器，可同步测定样品的导热系数与热扩散系数，进而依据这两项属性精确计算出样品的比热容。需注意的是，此间接测试方法对于均匀且各向同性的材料而言极为精准，但针对各向异性或异质材料（例如完整电池）则可能失准，主要归因于测试范围仅限于样品的部分体积。表2数据揭示，相较于标准Hot Disk方法于验证样品上所得Cp值，采用Hot Cell方法所得Cp值的平均偏差不足3.7%。
表2:Hot Cell和Hot Disk传感器测量验证样品的Cp
随后，使用Hot Cell®传感器对六块（完全充电）的锂电池样品进行了测试。表3列出了测量条件及Cp结果，单位采用J/kg/K，因为该单位在锂电池相关文献中更为常见。总体而言，我们发现使用Hot Cell®传感器获得的Cp值与文献中的可用数据高度一致，值得信赖。
表3，使用Hot Cell®传感器测得的Cp值
参考文献
- M. Gustavsson, N. S. Saxena, E. Karawacki and S. E. Gustafsson. “Specific Heat Measurements with the Hot Disk Thermal Constant Analyser”, Thermal Conductivity 23 (1995)↩︎
- Silas E. Gustafsson, “Transient Plane Source Techniques for Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity Measurements of Solid Materials”, Review of Scientific Instruments 62 (3), pp. 797–804 (1991).↩︎
作者：Dr. Besira Mihiretie