01. 熱分析儀器在電池材料中的常見(jiàn)應(yīng)用

02. DSC測(cè)試正極材料的熱安全性

鋰離子電池正/負(fù)極材料的熱失控容易引發(fā)電池的失效。DSC可對(duì)正/負(fù)極材料以及按特定比例縮小的全電池置于特定的DSC高壓坩堝中進(jìn)行測(cè)試。

圖1 正極材料熱安全性測(cè)試

圖1為充電態(tài)NCM811正極材料混合一定比例電解液進(jìn)行的三次重復(fù)測(cè)試，該三元正極材料出現(xiàn)兩個(gè)放熱峰，第一個(gè)放熱峰出現(xiàn)在220℃附近，推測(cè)為電解液分解引發(fā)的三元材料的分解。兩步分解放熱共計(jì)超過(guò)2500J/g，放熱情況十分嚴(yán)重，一旦熱失控，可能會(huì)造成電池的爆炸?？梢?jiàn)，DSC可快速準(zhǔn)確地研究電池材料熱失控溫度、放熱焓值和放熱速率，也可進(jìn)行不同工藝電池?zé)崾Э匦袨榈难芯俊?/span>

03. 負(fù)極材料的熱安全性測(cè)試

鋰離子電池負(fù)極在充電后處于富鋰狀態(tài)，且會(huì)隨著電池溫度的升高變得不穩(wěn)定。DSC可用來(lái)檢測(cè)不同充電狀態(tài)負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性。

圖2 負(fù)極材料熱安全性測(cè)試

圖2是充電態(tài)NCM523負(fù)極材料混合特定比例電解液后在25uL高壓坩堝中進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，樣品制備過(guò)程在手套箱中完成。測(cè)試結(jié)果顯示，鋰離子電池負(fù)極材料在約110℃處出現(xiàn)較小的放熱峰，這是由于少量電解液組分的分解造成的；之后在266℃與307℃出現(xiàn)連續(xù)地放熱峰，這主要?dú)w結(jié)于大量電解液分解引發(fā)的大量放熱，超過(guò)1600J/g的熱焓值也意味著放熱的嚴(yán)重程度。此外，DSC還可用于不同充電狀態(tài)或不同工藝負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性研究。

04. 熱安全反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

動(dòng)力學(xué)方法可以幫助我們了解速率、反應(yīng)歷程以及各種因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，并可預(yù)測(cè)體系在特定實(shí)驗(yàn)條件下的行為。影響鋰離子電池的熱失控的因素有很多種，我們可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)鋰離子電池的熱失控行為進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)。

圖3 熱安全反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

圖3所示為按照特定比例混合NCM523正極材料、負(fù)極材料和電解液的測(cè)試曲線，樣品被密封后使用DSC進(jìn)行不同升溫速率的測(cè)試。由于鋰離子電池的成分較為復(fù)雜，導(dǎo)致分解過(guò)程分多步進(jìn)行，因此，我們使用基于等轉(zhuǎn)化率法的非模型動(dòng)力學(xué)，得到隨反應(yīng)進(jìn)度而變化的活化能曲線，右側(cè)等轉(zhuǎn)化率預(yù)測(cè)結(jié)果顯示了體系達(dá)到特殊反應(yīng)進(jìn)度所需要的時(shí)間和溫度。

05. 正極材料充放電狀態(tài)熱穩(wěn)定性

正極材料是鋰電池中的關(guān)鍵材料，正極材料的熱穩(wěn)定性會(huì)隨著鋰離子電池的充放電過(guò)程和次數(shù)發(fā)生改變。

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