什么是热效应等温量热测试仪？

热效应等温量热测试仪是一种在恒定温度条件下，高灵敏度、实时监测样品因物理、化学或生物过程所产生或吸收的热量变化(即热效应)的精密分析仪器。其主要目标是量化系统在等温环境中的热流速率与总热交换量，从而揭示反应动力学、热力学参数及材料稳定性等关键信息。

一、基本定义与核心原理

等温量热测试仪的工作基于热力学第一定律(能量守恒)和功率补偿技术或热电效应测量。其最大特点是在整个实验过程中维持样品温度恒定(ΔT = 0)，通过检测为维持该恒温状态所需输入或输出的补偿功率，间接获得样品的热流信号。

典型结构包括：

样品池与参比池：双池设计，参比池通常为空或填充惰性物质，用于消除环境干扰;

高精度温度控制系统：采用珀尔帖元件、电加热器或水浴循环，控温精度可达 ±0.0001 K;

热流传感器/热电堆：实时监测微小热流变化，灵敏度可达 0.1 μW 甚至 ncal/s 级别;

数据采集与分析系统：记录热流–时间曲线，并积分计算总放热量或吸热量1。

二、主要类型与应用场景

根据应用领域不同，等温量热仪可分为以下几类：

1. 电池等温量热仪

专用于测量锂离子电池、固态电池等在充放电过程中的产热/吸热行为。通过维持电池表面恒温，精确测定其热失控起始点、放热速率、总反应热等，对电池安全性评估、热管理系统设计至关重要。

2. 等温滴定量热仪(ITC)

主要用于生物分子相互作用研究，如蛋白质–配体、DNA–药物、酶–抑制剂等。通过微量注射配体到样品池，实时记录每次结合事件的焓变(ΔH)，一次实验即可获得：

结合常数(KA 或 KD)、化学计量比(n)、焓变(ΔH)、熵变(ΔS)、吉布斯自由能(ΔG)

三、电池等温量热仪的技术优势

1.高精度等温控制

采用功率补偿或主动温控技术，维持电池表面温度恒定，控温精度可达 ±0.005°C 甚至 ±0.001°C。消除环境温度波动对热流测量的干扰，确保数据可靠性。

2.超高热流灵敏度

可检测低至 0.02 W(20 mW)甚至微瓦级的热流变化。能准确捕捉低倍率充放电、自放电、副反应等微弱热效应。

3.直接测量热功率与总热量

实时输出 放热/吸热功率(W)、累积热量(J)、最大放热速率 等关键参数。数据可直接用于热管理系统建模与仿真。

4.支持宽温域测试

控温范围通常为 -40°C 至 +100°C，部分机型可达 -80°C ~ 250°C。适用于极寒地区动力电池、高温储能等特殊工况研究。

5.集成电化学测试功能

内置充放电模块，支持 恒流/恒压充电、多通道电流设置、SOC实时计算。同步记录电压、电流、温度、热流等多维数据，实现“电–热”耦合分析。

6.具备参比电池或校准模式

通过参比电池消除背景热干扰，或使用标准热源进行系统校准，提升测量准确性。

7.安全与自动化设计

支持 远程网络操控，实验人员可在安全距离外操作;可选配 氮气置换模块(5~25 L/min)，防止热失控引发燃烧或爆炸。

8.适用于多种电池类型：兼容 锂离子、钠离子、固态电池、软包、圆柱、方形单体电池等。

四、典型工作流程

1.实验前准备

清洁测试腔室，检查传感器与夹具状态;根据电池尺寸选择适配夹具，确保良好热接触;连接电极线，确认电气连接无虚接或短路风险。

2.样品安装

将待测电池固定于测试平台，贴附温度传感器(通常位于电池大面中心);若需惰性气氛保护，开启氮气置换系统并设定流量。

3.参数设置

设定目标测试温度(如25°C、45°C);配置充放电协议：电流大小、充放电倍率(如1C、2C)、截止电压、循环次数等;设置数据采集频率(通常每秒1–10次)。

4.系统平衡

启动温控系统，等待电池温度稳定至设定值(通常需30–60分钟);确认基线热流平稳，无异常波动。

5.开始测试启

动充放电程序，仪器同步记录：

电压、电流、SOC、电池表面温度、实时热流功率(W)、累积放热量(J)

6.过程监控

实时观察热流曲线是否出现异常尖峰(可能预示副反应或热失控);如遇过热或气体释放，可触发安全联锁机制(如自动断电、启动排气)。

7.测试结束与数据分析

停止充放电，继续监测直至热流回归基线;

导出数据，计算：总产热量、最大放热功率、不同SOC区间的热效率、与理论焦耳热的偏差(反映副反应程度)

8.设备清理与维护

关闭电源与气体供应;取出电池，清洁夹具与传感器;执行定期校准(如使用标准电阻加热器验证热流精度)。

电池等温量热仪凭借其高精度、高安全性、多功能集成等优势，已成为新能源汽车、储能系统、消费电子等领域电池热安全研究的核心装备。其标准化的工作流程确保了实验数据的可重复性与工程指导价值，为下一代高能量密度、高安全性电池的研发提供坚实支撑。