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热分析技术在锂电材料中的应用
来源:东南科仪    发布时间:2021-09-15    阅读:93次
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第一代商用可充电电池是在20世纪80年代被开发出来,20世纪90年代初投入市场。这种可重复使用的的电池常被做成蓄电池类型,因为蓄电池具有许多理想的特性,例如重量轻,动力强,能量密度大,工作寿命长(循环稳定性好),放电性能稳定(高性能),工作温度范围宽。当下电子产品行业发展飞速,其对可重复使用蓄电池的需求也越来越大。在不同种类蓄电池中,锂离子电池常常被用于各种消费类电子产品(如移动电话)、家用电器(如吸尘器)以及电动汽车中。本文研究了热分析技术在锂电池材料中的不同应用。

 

热分析仪器在电池材料中的常见应用

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01常见正极材料磷酸铁锂(LiFePO4)热稳定性

 

磷酸铁锂电池使用 LiFePO4 作为正极材料,石墨则作为对立电极,20世纪90年代末将这种电池设计实现商业化。由于LiFePO4 的比容量高于 LiCoO2,毒性低,具有良好的稳定性,磷酸铁锂电池仍活跃在储能行业。下图是从电池中提取的磷酸铁锂在惰性气氛(氮气)中,使用梅特勒-托利多 TGA/DSC10 °C/min 的加热速率将样品从室温加热到 800 °C测试结果。

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第 1 次失重 (30–140 ℃)

1.1%

第 2 次失重 (140–800 ℃)

19.9%

800 ℃时的残留物

79.0 %

第一个台阶发生在低温范围,可能是由于挥发性物质损失导致的(溶剂,水)。第二个失重台阶,是样品吸热分解台阶。LiFePO4DSC曲线在大约 520 ℃和700 ℃显示了两个放热峰,这两个峰与质量变化无关,可能是由于固-固转变所致。使用TGA/DSC研究了从电池中提取的 LiFePO4的热稳定性,从结果可以看出,LiFePO4从大约140 ℃开始分解。因此,这是 LiFePO4 电池的最高临界工作温度。

 

02电极材料安全性测试

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锂离子电池正/负极材料的热失控容易引发电池的失效。DSC可对正/负极材料以及按特定比例缩小的全电池置于特定的DSC高压坩埚中进行测试。

 

图中为NCM811正极材料混合一定比例电解液进行的三次重复测试,该三元正极材料出现两个放热峰,第一个放热峰出现在220 ℃附近,推测为电解液分解引发的三元材料的分解。两步分解放热共计超过2500J/g,可见放热情况十分严重,一旦热失控,可能会造成电池的爆炸。可见,DSC可快速准确地研究电池材料热失控温度、放热焓值和放热速率,也可进行对不同工艺电池热失控行为的研究。

 

03电解液种类分析

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锂离子电池电解液中的溶质中往往含有多组分的聚碳酸酯,溶质的流动性和分解温度决定着锂电池的工作效率和安全温度。

 

图中为使用普通40ul铝坩埚密封测试的混合电解液,根据熔点可判断出该电解液主要含有碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC),根据二者的熔融焓值,可估算出EMCDMC的质量比大致为17,若想得到准确的比值,可以事先分别测试EMCDMC的原料,之后可推算出混合电解液中每种溶质的占比。此外,还可用DSC对电解液进行往复升降温来测试其热稳定性。

 

04隔膜熔融温度判定

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锂电池的隔膜一般为高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜,起着分隔正负极、并确保高效离子电导率的作用。目前,市面上常见的隔膜多为经过改性的PP/PE/PP单层或多层结构。

 

图中为使用DSC测试PP/PE/PP复合隔膜的熔点,测试结果显示,该复合隔膜显示出PE隔膜的熔点为130 ℃,PP隔膜的熔点为166℃,且PP隔膜在熔融时有热历史的出现,因此对于隔膜的测试,一般要求熔点测试结果在某一温度范围之内。

 

热分析技术(DSCTGA/DSC等)可提供锂电池材料的热稳定性、安全性评估、组分分析、放热焓值、材料熔点、比容测试等信息,为锂电材料的研发和测试提供指导性建议。

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