技术的发展日新月异。无论您是升级旧设备还是为您的工作台添加新技术，使用尖端仪器都一定会提高您实验室的效率和成果。新型仪器可提供更可靠的数据和更先进的功能，这对于始终立足于材料创新前沿而言至关重要。

但是，如何在升级仪器以获得最佳投资回报的同时最大限度地减少停机时间呢？以下是可让您无缝且轻松地升级实验室的 4 种方法。

用最新型号的仪器更换服务多年的老旧仪器是改善实验室结果的最简单的方法之一。更好的消息是，您可以用旧仪器换取升级折扣。

2000 年推出的 TA Instruments Q 系列热分析仪彻底革新了测量方法，Discovery 系列以其改进的测量和易用性延续了品牌传统。用户可对其 Q 系列 DSC、TGA、DMA、SDT、TMA 仪器或竞争型号仪器进行以旧换新，以节省购买新的 Discovery 系列热分析仪的费用。Discovery 系列提供无与伦比的灵敏度和准确性，可检测样品中的最小变化，并通过强大的 TRIOS 软件提供革命性的用户体验。点击此处以解更多信息并联系我们以对您的热分析仪进行以旧换新。

同样，您可以对 TA Instruments AR 流变仪或竞争型号仪器进行以旧换新，以节省购买新的 Discovery 混合流变仪的费用。升级到 DHR 实现了卓越的功能改进 – 由于 DHR 优异的扭矩灵敏度，用户可使用更少的样品测量更低的黏度和更小的应力。该仪器的混合功能是游戏规则的改变者：可在一台含集成线性 DMA 的流变仪上进行剪切流变学、黏性/剥离、拉伸黏度测量，以及张力、弯曲和压缩测量。DHR 广泛的功能和配件（包括与许多 AR 配件的兼容性）可为您实验室未来可能需要的任何测量提供保障。联系我们以了解有关流变仪以旧换新的更多信息。

除节省成本外，对您的热分析仪或流变仪进行以旧换新也非常易于操作且回报丰厚：

• 通过承接已有的历史数据和操作程序实现平稳过渡
• 使用新的“无人值守”自动进样器减少瓶颈（可在特定的热分析仪型号上使用）
• 借助专为每个用户级别的易用性而构建的 TRIOS 软件，最大限度地减少操作适应时间
• 通过可靠的结果和更高的准确性提高数据可信度
• 通过新功能和测量选项扩展实验室能力

3D 打印也称为增材制造，许多行业都将其视为一种多功能制造技术。3D 打印可以实现快速成型和按需打印服务，以避免批量运行带来的潜在浪费。

3D 打印拥有创造复杂形状的独特能力，被广泛应用于制造业。许多标准制造方法无法在结构中产生空腔和底切。添加模式可以轻松创造各类独特形状。

3D 打印目前已扩展到一系列材料，包括生物相容性聚合物和各类金属。3D 打印甚至被用于医疗保健等领域，用于定制打印医疗设备。¹

为了优化 3D 打印材料，制造商需要仔细考虑最终材料的机械和热性能。虽然 3D 打印部件往往很轻，而且聚合物部件的正确组合可以拥有与金属相似的抗拉强度，但克服增材制造部件较低的机械和热性能是最大的挑战之一。²

了解挤压过程如何影响打印材料的最终性能是一个非常热门的研究领域。汽车应用对材料的拉伸和热性能要求最高。

幸好，目前有许多含有碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉纤维的热塑性聚合物基质可用于 3D 打印部件，并能够在汽车应用中充分实现高性能。²

在 3D 打印过程中，要打印的基材被熔化，然后分层沉积以创建最终对象。在此过程中有多个参数可以优化，例如聚合物床层和喷嘴温度以及层间固化时间。

3D 打印有多种方法，包括选择性激光烧结、生物打印和熔融沉积建模。熔融沉积建模是最常用的方法。

玻璃态转化温度是选择正确温度挤压非晶态聚合物的必要信息。对于半结晶聚合物，其熔化温度是应重点关注的数值。结晶度强烈影响聚合物的机械性能。

许多聚合物用紫外线固化，紫外线在聚合物材料中产生自由基，作为最终聚合物生产中交联过程的引发剂。交联程度越高，材料的硬度和强度就越高。通过改变样品暴露在紫外线下的时间长度可以影响交联的材料强度。

温度和固化时间都会影响聚合物在材料中的分子结构及其性能。因此，为了优化这些参数并探索其对最终材料的影响，材料设计师使用对聚合物性能细节敏感的测试技术。

如今市场上的可充电电池中，锂离子电池占有主导地位许多应用中都有它们的身影，包括消费电子、电动汽车和工业设备。由于近年来锂离子电池的广泛应用，电池技术成为一系列不同研究领域的焦点，这些研究旨在提高电池的寿命、性能和安全性。

其中一个关键的研究领域是电极加工和制造的改进。  具体而言，研究人员一直专注于优化电极制造工艺，包括将活性固体阴极或阳极颗粒与粘合剂、添加剂和溶剂混合，从而形成具有复杂的非牛顿流动特性的浆料。浆料的有效加工很大程度上取决于对浆料流动特性的理解，也称为流变特性。

对于浆料流变学的深入理解可以更好地控制浆料的储存稳定性，防止沉淀、可泵送性和可运输性，并能形成均匀、无缺陷同时重量得以提高的涂层。这些测量有助于简化工艺优化过程，并使研究人员在开发新型材料突破电池材料性能壁垒时能够得出有意义的结构和性能的关系。下面的研究研究重点介绍了领先研究人员如何利用流变学来改善电池材料的开发、处理和加工。

所有的锂离子电池都需要用浆料进行涂布形成正极。现代工业电池制造在正极上使用狭缝式涂布，在这种情况下，狭缝头将光滑、均一的浆料均匀地涂抹在正极上。随着更快更有效的锂离子电池制造需求的增长，橡树岭国家实验室和田纳西大学的研究人员 Hawley 和 Li 试图通过提高温度来降低正极浆料的黏度，从而加快狭缝涂布速度。1 降低浆液粘度可实现最大的涂布速度，并最大限度地减少缺陷，如夹带空气和厚度不一等。该团队使用 TA Instruments 公司的Discovery 混合流变仪 (DHR) ，发现将浆料温度从 25℃ 提高到 75℃，在 60℃ 时黏度降低了 23%，涂布速度可以提高约 14%，这意味着电极生产率提高，同时在长期循环和高倍率放电测试中显示出可比的容量保持率。在 25°C 和 60°C 之间，浆料的屈服应力和平衡储能模量单调增加，从而使活性材料具有更高的抗沉降性。

全固态电池是一种新的电池体系，采用固态电极和固体电解质取代传统的液体或聚合物凝胶电极和电解质。范德比尔特大学机械工程、材料科学以及化学和生物分子工程系的研究人员研究了全固态电池 (ASSBs) 中复合电极的油墨配方。2 复合电极的量产依赖于集合电极固体材料、粘结料和溶剂的油墨的生产。油墨工程包括优化油墨的流变性、聚集行为和稳定性，以实现所需的涂层工艺，从而提高 ASSB 中复合电极的性能。

由 Shen、Dixit、Zaman、Hortance、Rogers 和 Hatzell 组成的范德比尔特团队使用 TA Instruments 公司的 Discovery 混合流变仪来评估溶剂和粘结料的不同组合。他们发现，松油醇溶剂和聚乙烯醇缩丁醛 (PVB) 粘合剂（电池行业不太常见的组合）可以提高固-固界面润湿性和粘附性，同时改善动态表面张力和流变性能，从而改善电极和容量性能。流变学测量帮助他们确定这种理想的组合。流变学对于设计油墨制造过程和确定可行的工艺条件至关重要。

来自蒙特利尔大学化学系的研究人员 Khakani、Verdier、Lepage、Rochefort、Prébé、Aymé-Perrot 和 Dollé、Hutchinson 和 Total SA 采用一种不同的方法，设计一种无溶剂工艺来简化复合锂离子电池电极的制造，这种工艺更具环境可持续性和成本效益。3 他们的干法工艺使用聚合物加工助剂 (PPA) ,避免了基于溶剂的湿电极加工的传统问题。他们的干涂层需要具有足够黏度的均一混合物来均匀地涂覆电极。TA Instruments 公司的 Discovery 混合流变仪 (DHR) 帮助研究人员优化他们的混合物，并确定应用该混合物所需的剪切力范围。他们得到的混合物具有理想的黏弹性，并在全电池测试中被证明是成功的，为更环保和低成本的电池制造铺平了道路。

尽管大多数商用电池使用液态有机电解质，但这些有机溶剂易燃，并不适用于所有应用。目前有研究人为固体聚合物电解质 (SPEs) 是一种更安全的替代品，其可燃性降低，机械性能提高，有助于抑制枝晶的形成。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Brian Jing和Christopher Evans 从具有动态共价交联的聚合物网络中开发了 SPE，提高了电解质的安全性和性能，兼具可持续和可回收性。4 他们开发了聚环氧乙烷（PEO）网络，并研究了 LiTFSI 盐对其转变温度的影响。

成功设计电池材料的其中一个关键点是了解材料在不同温度下的行为。这对基于 PEO 的材料更为重要，因为其模量在加热过程中会大幅下降。Jing 和 Evans 使用 TA Instruments 公司的 Discovery 混合流变仪来确定他们基于 PEO 的 SPE 的模量随温度的变化。他们观察到，虽然材料在更高的温度下变得更软、更易流动，但所产生的材料的剪切模量却大于 1MPa。这是一项重要成就，因为这些材料的高模量可能有助于在电池最终使用温度较高的情况下抑制枝晶形成，同时网络结构的化学属性保证了高导电性。

使用硼酸酯形成动态共价交联也可以在 30 分钟内将电解质溶解在纯水中并回收原料单体。这些电解质在机械损伤后还表现出自修复性，同时保持 95% 以上的导电和机械性能，这进一步巩固了该行业为实现更好的电池可持续性而在可回收和可再加工材料方向发展所做出的努力。

正如这些研究实例所表明的，对锂离子电池的高需求正在全球范围内挑战制造业的极限，使得在材料开发阶段思考工艺优化变得更加重要。随着创新以惊人的速度发展，世界各地的实验室都在努力开发性能和安全性适当平衡的电池。这些例子说明了流变学是科学家设计和高效生产更安全、性能更好的电池的关键技术。他们研究背后的驱动因素–更快的生产过程、更高的安全性、卓越的终端使用性–不会消失。我们不断改进电池生产和产品时，电池科学家可以自信地学习他人的突破，并采用他们的技术。

TA Instruments 很荣幸能够通过我们行业领先的流变仪来支持这些努力，这些流变仪提供了无与伦比的测量精度，同时通过大量附件保持了高度的通用性，并提供了无缝的用户体验。请访问我们的电池材料测试页面，了解更多关于推动未来电池发现的仪器。下载我们的电池测试手册，了解更多关于顶级测试技术的信息并联系我们的专家，了解最适合您实验室的仪器。 

无论您是在使用手机时或是驾驶电动车时（请注意勿同时使用），您可能意识到锂离子电池正在接管能源世界。它为我们的便携式电子产品、重要医疗设备、电动汽车和可再生能源存储提供动力。随着市场的不断扩大，研究人员正在寻找更好的方法，从而使锂离子电池越来越强大、可靠和安全，同时最大限度地减少生产时间和成本。

随着新电池的开发，安全性仍然是最关注的性能，因为锂离子电池有过热的问题，即由于热、电和机械滥用条件下，会导致热失控和燃烧。

热分析技术阐明了热应力对电池材料的影响，帮助科学家开发出更安全且性能更好的电池。  电池热管理系统只是其中一个示例，通过热分析获得的热性能信息可以确保工作温度保持在电池材料可能开始反应的温度以下，从而帮助生产出更安全的电池。

以下应用案例介绍了世界领先的锂离子电池开发实验室如何使用热分析技术中的TGA、DSC和TGA-MS表征技术的来支持其创新产品设计和测试。其创新产品设计和测试。

差示扫描量热法（DSC） 测量样品材料在加热、冷却或等温时吸收或释放的热量。  热流是通过比较样品和参比之间的热流差来确定。  DSC可帮助了解电池材料的热容和相变，如熔点（T_m）、熔融焓和玻璃转化温度（T_g）。

锂离子电池的工作温度范围通常在-20℃至60℃，但力、电或热滥用会导致电池内温度过度升高和降低，从而导致出现热失控这样的灾难性事件。  热失控的热力学和动力学机制的确切性质仍然是一个需要探究的领域。  研究表明，热失控可能始于固体电解质界面（SEI）在80℃至120℃左右的分解。 在逐渐升高的温度下，电池内的其它材料开始发生分解和反应。

来自普渡大学的Zhou等利用TA仪器的DSC建立了一个用于理解和预测热失控的模型。其研究证明电池电极之间的相互作用会引发单节电芯级别的灾难性安全事件。他们富有洞察力的研究使我们更接近了解热失控的机制，并使我们更好地了解电池安全性

热重分析仪(TGA)通过程序控制加热样品，同时用高灵敏度的分析天平测量其质量变化。质量损失表示样品可能存在的分解或汽化现象，而质量增加表示可能发生吸附现象或材料正与环境气氛发生反应。电池开发商采用热重分析仪来量化材料的氧化、热降解和热稳定性。热重分析阐明了电池材料开始降解的温度，助力研究人员选择适当的材料并研究高性能、长寿命的电池。

市面上的锂离子电池采用碳酸酯类有机溶剂。该溶剂的一个缺点是在高温条件下具有易燃性，替代品是基于聚合物和凝胶基的电解质。  Cresce等利用TA 仪器的热重分析仪来对其在水基锂离子电池中的制造友好型丙烯酸酯凝胶电解质系统进行测试。他们发现凝胶在90℃以上时成分才会发生改变。因此他们的电池相较采用LiPF₆的最先进的有机电解质电池更有优势，后者仅在70℃时就会发生分解。Cresce的研究团队通过热重分析技术对凝胶电解质在不同温度下的重量变化的准确测量，从而能够对其电池设计的安全性得出可靠的结论。

Kohlmeyer等采取不同的方法，设计了一种适于高温电池工作的新型电解质和隔膜系统。他们使用TA 仪器的热重分析仪研究隔膜的热稳定性。实验表明，磷酸铁锂/石墨及其膜和电解质系统可在120℃条件下工作，同时具有良好的可循环性，从而大大高于传统锂离子电池的运行温度。他们的突破性研究为未来能够在比以往更高的温度下安全运行的锂离子电池铺平了道路。

上面的例子说明了如何使用DSC和TGA测量电池材料的热曲线，从而大大有助于改善电池材料性能和安全性。科学家们还可将这些方法与逸出气体分析（EGA）的的相关技术结合。电池研究人员可以使用EGA来了解在TGA的加热过程中所产生的气体。

TGA-MS是热重分析（TGA）和质谱（MS）的联用技术，用于测量样品的热稳定性数据，并深入了解逸出气体的化学成分（也可以将GC/MS和FT-IR与TGA进行联用）。其中的一个优点便是只需进行一次简单的TGA实验，不需要额外制备样品。

传统的锂盐（如LiPF₆）在热降解过程中会释放出有毒和危险性气体，如氟化氢（HF）。  传统锂盐的替代品是制造更安全的锂离子电池的一个研究领域。  Paillet 等使用TA仪器的TGA-MS在表征锂离子电池用锂4,5-二氰基-2-（三氟甲基）咪唑（LiTDI）盐方面的能力，并将LiTDI盐与常用的LiPF₆进行对比。  Paillet研究表明，LiTDI与LiPF₆ 相比，其热稳定性显著优于LiTDI（285°C与164°C）。研究表明，从HF释放角度，LiTDI更安全。他们通过在他们的 TGA-MS 研究中将 m/z 19 绘制为温度的函数来实现这一点。 与 LiPF₆ 相比，LiTDI 显示出较少的 HF 生成，同时显示出与 LiPF₆ 相似的功率能力，具有广大的应用场景，并显着提高了安全性。

DSC、TGA和TGA-MS在该发现中起到了关键作用。从详细的电池材料分析到整个电池性能，这些技术能够助力研究人员确定哪些设计在什么样的特定条件下是安全有效的。这些技术都旨在进一步提升锂离子电池的性能，从而提高其在高温下的性能。随着锂离子电池在日常设备和应用中的使用越来越多，这一趋势必将得以延续。

*注：某些参考文献中所用的一些仪器使用了上一代型号。本文中链接的仪器重点介绍了当前一代型号及其测试能力的详细信息。