熱分析儀在新能源材料有哪些應(yīng)用？
在電池原材料測(cè)試方面，可用于測(cè)試隔膜熔點(diǎn)、正極材料與電解液的反應(yīng)、溶劑揮發(fā)、脫水干燥、反應(yīng)與分解失重等過(guò)程、隔膜的拉伸與抗穿刺性能。從電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)方面，可以測(cè)量熱擴(kuò)散、比熱與導(dǎo)熱系數(shù)；從電池的熱安全性方面，可以對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)與熱安全研究。
稻草的燃燒過(guò)程
生物質(zhì)是指有機(jī)的非礦物材料，換句話說(shuō)，生物質(zhì)包含所有死的或活的生物有機(jī)體，但是不包括經(jīng)過(guò)地質(zhì)過(guò)程轉(zhuǎn)化為煤或石油等物質(zhì)的生物物質(zhì)。地球上包含大約750億噸生物質(zhì)，與煤或石油一樣，生物質(zhì)是太陽(yáng)能的一種存在形式，太陽(yáng)輻射的能量被植物通過(guò)光合作用捕獲存儲(chǔ)在生物質(zhì)中，生物質(zhì)有時(shí)可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生電能和熱量，這就是所謂的生物燃料。與其他產(chǎn)生能量的方式類(lèi)似，生物質(zhì)燃燒時(shí)也會(huì)產(chǎn)生污染物。一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)，產(chǎn)生單位熱量的食物的價(jià)格低于燃料，因此食品級(jí)的小米或玉米也可被用作中央供熱設(shè)備的原料。
稻草的TG-DSC測(cè)試圖譜，燃燒過(guò)程分兩步完成，其重量變化分別為56.6%和32.8%，整個(gè)燃燒過(guò)程釋放的熱量為9.85J/g。下圖為逸出氣體的質(zhì)譜圖，從圖中看出，重量損失過(guò)程中釋放的產(chǎn)物主要為CO2（質(zhì)量數(shù)44）和H2O（質(zhì)量數(shù)18），另外還有少量的KCl（質(zhì)量數(shù)74），其次還有下圖中未標(biāo)出的產(chǎn)物如CO、NO、KOH和Cl2。燃燒完成后樣品剩余的灰分量為10.6%。
DSC204HP測(cè)試柴油的高壓氧化反應(yīng)
柴油燃料是石油中一種特定的餾分油，*早是由德國(guó)工程師Rudolf Diesel使用在柴油引擎上。近年來(lái)，柴油引擎在運(yùn)行噪音和加速性方面得到顯著改善，被廣泛應(yīng)用在私家車(chē)上。相比較于其他引擎，柴油引擎的燃油消耗較低。為了研究柴油燃燒特性，有必要對(duì)引擎燃燒室的實(shí)際工況進(jìn)行模擬，高壓DSC204HP能夠模擬燃油和氧氣在燃燒室內(nèi)的燃燒反應(yīng)，可對(duì)高達(dá)15MPa（150bar）的壓力實(shí)現(xiàn)精確控制。
使用高壓DSC可以研究燃油燃燒的氧化反應(yīng)。油液滴入到敞口的鋁坩堝中，將DSC測(cè)量池調(diào)節(jié)到不同的壓力下進(jìn)行測(cè)試。提高氧氣壓力，外推起始溫度（代表氧化反應(yīng)的開(kāi)始）和峰值溫度都往低溫方向移動(dòng)，同時(shí)伴隨著放熱峰形的顯著變化，峰形越尖銳說(shuō)明燃燒反應(yīng)效率越高。常規(guī)柴油引擎燃燒室內(nèi)的氣體壓縮壓力就是20bar。
LFA測(cè)試碳復(fù)合材料
碳材料可在一些要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合替代金屬部件，比如戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)。碳材料質(zhì)量輕、化學(xué)惰性、高溫下強(qiáng)度高，比強(qiáng)度甚至比高溫合金還要高。如今這類(lèi)材料被廣泛用在飛機(jī)、賽車(chē)剎車(chē)、真空爐管件、化學(xué)反應(yīng)器等領(lǐng)域。利用LFA427來(lái)測(cè)量碳復(fù)合材料的熱物性指標(biāo)。
室溫以上熱擴(kuò)散和導(dǎo)熱隨溫度升高而降低。同一材料的兩個(gè)樣品測(cè)試結(jié)果具有很高的重復(fù)性。比熱隨著溫度升高而增大，這一趨勢(shì)符合Debye定律。所測(cè)試的數(shù)據(jù)也是典型的石墨復(fù)合材料的結(jié)果。說(shuō)明LFA427能夠精確分析碳材料在超高溫下的熱物性數(shù)據(jù)。
PbTe-Ge和PbTe-Ge1-xSix合金導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量
在碲化鉛材料PbTe-Ge和PbTe-Ge1-xSix中，通過(guò)調(diào)整Ge和Si的含量可以很容易調(diào)節(jié)合金的導(dǎo)熱系數(shù)。
結(jié)果是在25oC到320oC溫度范圍內(nèi)獲得。圖A顯示Ge不同的含量對(duì)PbTe的晶格導(dǎo)熱系數(shù)有很大的影響。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，隨著Ge含量的降低，晶格導(dǎo)熱系數(shù)降低。另外，在上述體系加入Si元素后，晶格導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步降低（圖B）。當(dāng)Ge和Si的混合比例不變，將Ge0.8Si0.2含量降低時(shí)，可以看到類(lèi)似的行為(圖C)。圖D顯示當(dāng)Ge-/Ge- si的比例為5%時(shí)能夠得到*佳晶格導(dǎo)熱系數(shù)。
電極材料與電解液的兼容性
研發(fā)新型鋰離子電池時(shí)，需要研究不同電池組分的化學(xué)兼容性和熱分解的可能性。當(dāng)電池成分復(fù)雜，存在多相反應(yīng)的情況下，通過(guò)測(cè)試更大尺寸的樣品，可以適當(dāng)提高反應(yīng)速率和熱力學(xué)的測(cè)量精度。
陽(yáng)極材料和不同電解質(zhì)的反應(yīng)情況對(duì)比，圖中顯示了可能發(fā)生的各種不同反應(yīng)。在評(píng)估哪種組合成分的電池更安全時(shí)，反應(yīng)的起始溫度和反應(yīng)速率的大小都是重要標(biāo)準(zhǔn)。此類(lèi)絕熱測(cè)試可以采用ARC244/254，或者M(jìn)MC274 Nexus。
鈷酸鋰正極材料 -- 熱穩(wěn)定性（QMS）
鈷酸鋰被廣泛地用作鋰離子電池的正極材料。在設(shè)計(jì)內(nèi)在更安全、更高效的電池系統(tǒng)時(shí)，該正極材料的熱穩(wěn)定性也是一個(gè)重要因素。
在本例中，經(jīng)過(guò)脫鋰的鈷酸鋰材料從紐扣電池中取出，放入NETZSCH STA449F1 Jupiter與QMS 403 Aolos Quadro聯(lián)用設(shè)備中進(jìn)行分析。正極材料在升溫過(guò)程中顯示有幾個(gè)離散的分解臺(tái)階。在聯(lián)用質(zhì)譜的幫助下，可以很容易地理解材料的分解路徑，以及正極材料經(jīng)過(guò)循環(huán)后的深層結(jié)構(gòu)變化。
鋰離子電池-熱失控
當(dāng)鋰離子電池產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)大于散失的熱量時(shí)，很可能會(huì)發(fā)生熱失控現(xiàn)象。絕熱量熱儀可以測(cè)試電池在熱失控狀態(tài)下分解產(chǎn)生的熱量，可測(cè)試電池的尺寸為26650電池或更小。
3個(gè)不同組分、不同充電狀態(tài)的18650電池的測(cè)試結(jié)果對(duì)比�？梢钥闯觯琇iFePO4電池的反應(yīng)起始溫度高于Li-Ion電池；初始電壓和充電狀態(tài)也對(duì)分解反應(yīng)有顯著影響，這些都可以利用ARC儀器進(jìn)行研究。
水煤氣化
水煤氣化過(guò)程為煤焦與二氧化碳和水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣的過(guò)程。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體稱(chēng)為產(chǎn)物氣或合成氣，相對(duì)于煤的直接燃燒，水煤氣化后轉(zhuǎn)化為能源的效率更高。水煤氣化過(guò)程是在19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的，*初是用于生產(chǎn)照明和烹飪用的煤氣，但是天然氣和電力很快便取代了煤氣在這方面的應(yīng)用，不過(guò)水煤氣化過(guò)程卻被逐漸用來(lái)生產(chǎn)合成化學(xué)品和燃料。現(xiàn)在水煤氣化有更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是通過(guò)IGCC產(chǎn)生電力、氨和液體燃料（油）等，另外還可以生產(chǎn)燃料電池用的甲烷和氫氣。
測(cè)試時(shí)將碳粉升溫并恒溫2小時(shí)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程均在水蒸氣氛圍下進(jìn)行，恒溫過(guò)程中，樣品的失重速率穩(wěn)定在0.43%/min，失重來(lái)源于氣化過(guò)程（碳粉與水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣）。另外可以聯(lián)用逸出氣體分析裝置進(jìn)行進(jìn)一步分析。水蒸氣氣氛還可以應(yīng)用在不銹鋼的腐蝕研究上，在水蒸氣下不銹鋼可以發(fā)生氧化和脫碳行為；同樣的方法也可以用于陶瓷零件的燒結(jié)行為研究上。另外，無(wú)機(jī)建材也會(huì)用到水蒸氣氛圍的研究。
熱重復(fù)雜氣氛下的測(cè)試
利用熱重分析儀測(cè)量樣品質(zhì)量隨時(shí)間/溫度的變化，可以對(duì)聚合物或混合物的組成及各組分所占的比例進(jìn)行分析。從保護(hù)儀器的角度出發(fā)，常規(guī)的TG測(cè)試建議采用動(dòng)態(tài)吹掃氣氛，如N2、Ar或Air，但是對(duì)于某些特殊場(chǎng)合，比如塑料或橡膠的成分比例測(cè)試，可以考慮真空下測(cè)試（前提是確保真空下樣品反應(yīng)釋出的氣體對(duì)儀器沒(méi)有危害），因?yàn)檎婵諝夥漳軌蚪档托》肿拥姆悬c(diǎn)，達(dá)到分離失重臺(tái)階的目的。
三元乙丙橡膠在動(dòng)態(tài)氣氛（N2切換成Air）下的測(cè)試結(jié)果，其中紅色曲線為T(mén)G（質(zhì)量變化%）曲線，綠色曲線為DTG（質(zhì)量變化率）曲線，TG曲線記錄各反應(yīng)過(guò)程中樣品質(zhì)量的變化，結(jié)合DTG曲線可以判斷各反應(yīng)發(fā)生的起始/終止溫度。從圖上可以看出，此樣品在室溫-420℃發(fā)生了一步反應(yīng)，失重量為13.80%，此步反應(yīng)為增塑劑的揮發(fā)；420-570℃間為第二步反應(yīng)，失重量為36.85%，此步反應(yīng)為高分子主鏈的分解；600-820℃范圍內(nèi)為第三步反應(yīng)，失重量為6.68%，對(duì)應(yīng)無(wú)機(jī)填料的分解；轉(zhuǎn)換成空氣后的反應(yīng)為碳骨架的燃燒，失重量為29.91%。
但是，一步反應(yīng)和第二步反應(yīng)有重疊，影響了一步反應(yīng)的終止點(diǎn)的判斷，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確測(cè)定增塑劑和高分子組分各自的含量。
同種材料在真空下的測(cè)試結(jié)果，由于真空下增塑劑的沸點(diǎn)降低，在較低的溫度揮發(fā)出來(lái)，這樣就能有效區(qū)分一步反應(yīng)和第二步反應(yīng)，準(zhǔn)確測(cè)得增塑劑和高分子組分的含量，分別為22.30%和27.89%。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證此方法，測(cè)試一個(gè)含量已知的橡膠樣品，上圖3所示為樣品在真空-N2-Air復(fù)雜氣氛下的測(cè)試結(jié)果，在真空氣氛下升溫到600℃，在氮?dú)鈿夥障潞銣剡^(guò)渡10min后，切換成空氣氣氛升溫到900℃。在真空氣氛下，橡膠中的添加劑先揮發(fā)出來(lái)（約300℃前），失重量為20.43%（理論值20.6%）；300-600℃范圍內(nèi)，高分子主鏈分解，失重量為42.57%（理論值41.9%）。切換成空氣后，碳骨架燃燒，失重量為9.08%（理論值9.1%）。
綜上可見(jiàn)，在保證儀器安全的前提下，對(duì)于某些應(yīng)用，真空測(cè)試不失為一種有效分離失重臺(tái)階的方法。
如需詳細(xì)資料，請(qǐng)聯(lián)系我們，我們竭誠(chéng)為您服務(wù)！
