熱分析儀在新能源材料有哪些應用？
在電池原材料測試方面，可用于測試隔膜熔點、正極材料與電解液的反應、溶劑揮發(fā)、脫水干燥、反應與分解失重等過程、隔膜的拉伸與抗穿刺性能。從電池熱管理設計方面，可以測量熱擴散、比熱與導熱系數(shù)；從電池的熱安全性方面，可以對其進行危險與熱安全研究。
稻草的燃燒過程
生物質是指有機的非礦物材料，換句話說，生物質包含所有死的或活的生物有機體，但是不包括經過地質過程轉化為煤或石油等物質的生物物質。地球上包含大約750億噸生物質，與煤或石油一樣，生物質是太陽能的一種存在形式，太陽輻射的能量被植物通過光合作用捕獲存儲在生物質中，生物質有時可以通過燃燒產生電能和熱量，這就是所謂的生物燃料。與其他產生能量的方式類似，生物質燃燒時也會產生污染物。一些工業(yè)國家如德國，產生單位熱量的食物的價格低于燃料，因此食品級的小米或玉米也可被用作中央供熱設備的原料。
稻草的TG-DSC測試圖譜，燃燒過程分兩步完成，其重量變化分別為56.6%和32.8%，整個燃燒過程釋放的熱量為9.85J/g。下圖為逸出氣體的質譜圖，從圖中看出，重量損失過程中釋放的產物主要為CO2（質量數(shù)44）和H2O（質量數(shù)18），另外還有少量的KCl（質量數(shù)74），其次還有下圖中未標出的產物如CO、NO、KOH和Cl2。燃燒完成后樣品剩余的灰分量為10.6%。
DSC204HP測試柴油的高壓氧化反應
柴油燃料是石油中一種特定的餾分油，*早是由德國工程師Rudolf Diesel使用在柴油引擎上。近年來，柴油引擎在運行噪音和加速性方面得到顯著改善，被廣泛應用在私家車上。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，有必要對引擎燃燒室的實際工況進行模擬，高壓DSC204HP能夠模擬燃油和氧氣在燃燒室內的燃燒反應，可對高達15MPa（150bar）的壓力實現(xiàn)精確控制。
使用高壓DSC可以研究燃油燃燒的氧化反應。油液滴入到敞口的鋁坩堝中，將DSC測量池調節(jié)到不同的壓力下進行測試。提高氧氣壓力，外推起始溫度（代表氧化反應的開始）和峰值溫度都往低溫方向移動，同時伴隨著放熱峰形的顯著變化，峰形越尖銳說明燃燒反應效率越高。常規(guī)柴油引擎燃燒室內的氣體壓縮壓力就是20bar。
LFA測試碳復合材料
碳材料可在一些要求苛刻的應用場合替代金屬部件，比如戰(zhàn)斗機的發(fā)動機燃燒系統(tǒng)。碳材料質量輕、化學惰性、高溫下強度高，比強度甚至比高溫合金還要高。如今這類材料被廣泛用在飛機、賽車剎車、真空爐管件、化學反應器等領域。利用LFA427來測量碳復合材料的熱物性指標。
室溫以上熱擴散和導熱隨溫度升高而降低。同一材料的兩個樣品測試結果具有很高的重復性。比熱隨著溫度升高而增大，這一趨勢符合Debye定律。所測試的數(shù)據(jù)也是典型的石墨復合材料的結果。說明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合金導熱系數(shù)的測量
在碲化鉛材料PbTe-Ge和PbTe-Ge1-xSix中，通過調整Ge和Si的含量可以很容易調節(jié)合金的導熱系數(shù)。
結果是在25oC到320oC溫度范圍內獲得。圖A顯示Ge不同的含量對PbTe的晶格導熱系數(shù)有很大的影響。在整個溫度范圍內，隨著Ge含量的降低，晶格導熱系數(shù)降低。另外，在上述體系加入Si元素后，晶格導熱系數(shù)進一步降低（圖B）。當Ge和Si的混合比例不變，將Ge0.8Si0.2含量降低時，可以看到類似的行為(圖C)。圖D顯示當Ge-/Ge- si的比例為5%時能夠得到*佳晶格導熱系數(shù)。
電極材料與電解液的兼容性
研發(fā)新型鋰離子電池時，需要研究不同電池組分的化學兼容性和熱分解的可能性。當電池成分復雜，存在多相反應的情況下，通過測試更大尺寸的樣品，可以適當提高反應速率和熱力學的測量精度。
陽極材料和不同電解質的反應情況對比，圖中顯示了可能發(fā)生的各種不同反應。在評估哪種組合成分的電池更安全時，反應的起始溫度和反應速率的大小都是重要標準。此類絕熱測試可以采用ARC244/254，或者MMC274 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。在設計內在更安全、更高效的電池系統(tǒng)時，該正極材料的熱穩(wěn)定性也是一個重要因素。
在本例中，經過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)用設備中進行分析。正極材料在升溫過程中顯示有幾個離散的分解臺階。在聯(lián)用質譜的幫助下，可以很容易地理解材料的分解路徑，以及正極材料經過循環(huán)后的深層結構變化。
鋰離子電池-熱失控
當鋰離子電池產生的熱量遠大于散失的熱量時，很可能會發(fā)生熱失控現(xiàn)象。絕熱量熱儀可以測試電池在熱失控狀態(tài)下分解產生的熱量，可測試電池的尺寸為26650電池或更小。
3個不同組分、不同充電狀態(tài)的18650電池的測試結果對比�？梢钥闯�，LiFePO4電池的反應起始溫度高于Li-Ion電池；初始電壓和充電狀態(tài)也對分解反應有顯著影響，這些都可以利用ARC儀器進行研究。
水煤氣化
水煤氣化過程為煤焦與二氧化碳和水蒸氣反應生成一氧化碳和氫氣的過程。反應產生的氣體稱為產物氣或合成氣，相對于煤的直接燃燒，水煤氣化后轉化為能源的效率更高。水煤氣化過程是在19世紀發(fā)展起來的，*初是用于生產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用，不過水煤氣化過程卻被逐漸用來生產合成化學品和燃料。現(xiàn)在水煤氣化有更寬廣的應用領域，特別是通過IGCC產生電力、氨和液體燃料（油）等，另外還可以生產燃料電池用的甲烷和氫氣。
測試時將碳粉升溫并恒溫2小時，整個測試過程均在水蒸氣氛圍下進行，恒溫過程中，樣品的失重速率穩(wěn)定在0.43%/min，失重來源于氣化過程（碳粉與水蒸氣反應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行進一步分析。水蒸氣氣氛還可以應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行為研究上。另外，無機建材也會用到水蒸氣氛圍的研究。
熱重復雜氣氛下的測試
利用熱重分析儀測量樣品質量隨時間/溫度的變化，可以對聚合物或混合物的組成及各組分所占的比例進行分析。從保護儀器的角度出發(fā)，常規(guī)的TG測試建議采用動態(tài)吹掃氣氛，如N2、Ar或Air，但是對于某些特殊場合，比如塑料或橡膠的成分比例測試，可以考慮真空下測試（前提是確保真空下樣品反應釋出的氣體對儀器沒有危害），因為真空氣氛能夠降低小分子的沸點，達到分離失重臺階的目的。
三元乙丙橡膠在動態(tài)氣氛（N2切換成Air）下的測試結果，其中紅色曲線為TG（質量變化%）曲線，綠色曲線為DTG（質量變化率）曲線，TG曲線記錄各反應過程中樣品質量的變化，結合DTG曲線可以判斷各反應發(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，失重量為13.80%，此步反應為增塑劑的揮發(fā)；420-570℃間為第二步反應，失重量為36.85%，此步反應為高分子主鏈的分解；600-820℃范圍內為第三步反應，失重量為6.68%，對應無機填料的分解；轉換成空氣后的反應為碳骨架的燃燒，失重量為29.91%。
但是，一步反應和第二步反應有重疊，影響了一步反應的終止點的判斷，導致難以準確測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試結果，由于真空下增塑劑的沸點降低，在較低的溫度揮發(fā)出來，這樣就能有效區(qū)分一步反應和第二步反應，準確測得增塑劑和高分子組分的含量，分別為22.30%和27.89%。
為了進一步驗證此方法，測試一個含量已知的橡膠樣品，上圖3所示為樣品在真空-N2-Air復雜氣氛下的測試結果，在真空氣氛下升溫到600℃，在氮氣氣氛下恒溫過渡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（約300℃前），失重量為20.43%（理論值20.6%）；300-600℃范圍內，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，在保證儀器安全的前提下，對于某些應用，真空測試不失為一種有效分離失重臺階的方法。
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