仪器与测试参数
材料示例： 聚丙烯 (PP)、聚乙烯 (PE)、多层隔膜、陶瓷涂覆隔膜
应用示例
运用 TMA 分析电池隔膜的热膨胀以识别方向效应
在锂离子电池中，隔膜是一种可渗透的微孔膜，是防止两个电极之间物理接触的重要组件，它可以在防止短路的同时允许锂离子转移，这是实现电池功能的必要条件。探索型 TMA 450 可测量隔膜的空间维度变化和潜在的故障温度。它对空间维度变化的测量灵敏度很高，能够检测到隔膜在不同方向上的热膨胀和收缩。将样品均匀切割成 24 mm 长 2 mm 宽，然后装载到薄膜和纤维探测器上。在氮气吹扫下，温度以 3˚C/分钟的速度从 -70˚C 升高到 200˚C。
结论:
TMA 450 测量了隔膜的热膨胀量，发现在 X 和 Y 方向上都存在方向效应。为防止可能导致电池机械故障的有害膨胀或收缩，需要了解方向效应。
哪些热学事件会导致热失控？
关于电池热失控过程还存在很多疑问，但据目前的理解来看，热失控是由以下的一系列事件引发的。随着锂离子电池 (LIB) 的温度持续上升，导致热失控的放热反应与电池内部各个组件发生破坏性相互作用。某些个别元件损坏较早，这些出现故障的大部分元件会直接导致热量的快速积聚。
最先开始损坏的是固体-电解液之间的界面膜 (SEI)，一般开始于 80-120°C (176-248°F) 左右。此时，热失控的速度有办法减缓，而一旦阳极暴露在电解液中，热失控将不可逆转。发生在反应性阳极表面的放热反应向系统中释放更多热量，直到温度达到下一个临界值。
下一个受影响的组件是隔膜，隔膜的故障过程分为两个阶段。在 120-150°C (248-302°F) 左右，隔膜开始熔化并造成小规模短路，随后，在 220-250°C (428-482°F) 附近，当隔膜发生破裂时发生更严重的内部短路。
随着温度继续升高，以下反应会直接和迅速发生，即阴极材料、粘合剂及电解液均开始分解，进而导致电芯的温度急剧上升至 800°C (1472°F) 左右。以上反应会生成气态产物，导致 LIB 内的压力升高。
除了会快速产生热量外，阴极反应还产生一个毁灭性副产物，即具有助燃性的氧气。因具体情况而异，其直接后果就是“热量 + 氧气 = 火”，或者“热量 + 气体 = 爆裂/爆炸”。当然，材料并非都是同一种，它们的故障温度范围也有高低，或者甚至未来可能会出现超出上述温度范围的材料，因此，通过适当测试为特定电池选择最安全的材料至关重要。
石墨阳极材料热不稳定性 TGA 热温图
为了避免热失控和选出耐热性好的电池材料，电池研究者们会借助于差示扫描量热法 (DSC) 和热重分析法 (TGA)：
DSC：DSC 测量流入或流出材料的热流量与温度或时间的关系。相变会扰乱温度变化与吸收或释放的热量之间的热容量关系，从图表输出中可以看出。从安全工作温度到热滥用的各种温度条件下均可进行测试。
TGA：TGA 测量样品的质量与温度或时间的关系。一般来说，热稳定性更好的材料，在质量发生变化前，可以达到更高的温度。
通过 DSC 测量结果解答以下问题：
- 材料的熔点 Tm
- 材料的玻璃化转变温度 Tg
- 电池各种组成材料的最低相变温度。
通过 TGA 测量结果解答以下问题：
- 材料开始分解的温度。
- 在一定温度下，样品因热分解或氧化分解而损失的质量。
- 在一定温度下的分解反应速率（包括氧化分解和热分解）。
- 电池各种组成材料的最高耐热温度。