鉅大LARGE | 點擊量：881次 | 2021年04月06日
詳解鋰離子充電電池電解液以及正極材料的安全性評價
鋰離子電池的應用十分廣泛，如手機、筆記本、電動汽車等已成為生活中不可或缺的產品。隨著其在汽車以及電力儲藏等領域大型化的應用、對其高性能和安全性要求也越來越高。
鋰離子電池具有極高的能量密度，這是因為電池中封裝了更多活性材料，且電極和隔膜越來越薄、越來越輕。這些均要電池組成材料之間的完美搭配、若設計不足或者濫用，就會出現熱失控現象，導致冒煙、起火甚至爆炸等事故。
因此對鋰離子電池的生產和使用過程中的安全性評價非常重要，下面就讓我們用日立DSC7000系列對鋰離子充電電池電解液以及正極材料進行安全性評價。
樣品處理和容器
■樣品處理的氣氛
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
LIB的構成中包含很多反應性高的材料。實際產品被封裝在惰性氣氛中，因此DSC測定也必須將其密封在惰性氣體中進行。（為了防止大氣中的水分、氧氣、二氧化碳等氣氛對樣品的影響、樣品處理在手套箱中進行。）
■容器
樣品分解出現的氣體、會污染DSC傳感器、可能造成儀器功能損壞，因此需選擇密封形的容器。另外測試時容器內部壓力增大，故要選擇高耐壓值的SUS密封容器。
電解液正極材料的熱特性的研究
■電解液
電解液的DSC結果如上圖所示：
樣品中溶劑為高介電常數溶劑碳酸乙烯酯（EC）和低粘度溶劑碳酸甲基乙基酯（EMC），電解質為六氟磷酸鋰（LiPF6）。
在升溫過程中，該電解液先熔融再分解，在244℃開始熔融，分解放熱峰溫度278℃，同時還可以得到其分解放熱量。
■電解液+正極材料
實驗結果-2.png
這里顯示把電解液和正極材料混合密封在容器中的樣品的DSC測定結果。正極材料是充電狀態的錳酸鋰（LixMn2O4、X=0(充電狀態)）。
183℃附近有一個放熱反應，隨后有一個放熱峰，放熱峰峰值約為290℃，與上述的電解液相比、在低溫測得（183℃）開始放熱，這是正極材料的熱分解，釋放氧氣、使得電解液氧化分解。
從上述DSC測定中，可觀察到熱分解的起始溫度、可以評價LIB的熱穩定性、起始溫度越高熱穩定性越高。本資料顯示的是完全充電狀態的結果、也有充電越多，Li脫離量越多、熱穩定性也會越降低的報告。近年來人類對太陽能、風能、潮汐能、地熱能等清潔可持續能源的研究不斷深入，相關的開采和轉化利用技術也在不斷取得進步。但是我們都了解這些能量源要么具有間歇性要么嚴重受到地域限制，因此相關的儲能技術也隨之應運而生，其中鋰離子電池作為現有儲能技術的重要組成部分越來越受到人們的重視。
另一方面，鋰離子電池作為一種便攜式儲能設備也廣泛應用于手機、筆記本電腦、相機、電動自行車、電動汽車等領域。根據我國汽車工程學會公布的《節能與新能源汽車技術路線圖》，到2020年，純電動汽車動力鋰電池單體比能量密度達到350Wh/kg；2025年達到400Wh/kg；2030年則要達到500Wh/kg。根據對現有產業技術的了解，現在鋰離子電池的能量密度在240Wh/kg左右，而特斯拉所使用的電池（采用高鎳三元材料作為正極，硅碳復合材料作為負極，電池型號采用21700圓柱形）能量密度則高達300Wh/kg，它代表了現有的鋰離子電池能量密度的最高水平。但是現在電動汽車的續航里程還不太令人滿意，現在對鋰離子電池技術提出更高的要求。
我們都了解鋰離子電池的重要組成部分包括四個方面：正極材料、負極材料、電解液、隔膜。電解液作為鋰離子電池的重要組成部分對提升鋰離子電池的循環性能、能量密度，從而進一步提升電動汽車續航里程起著不可替代的用途。鋰離子電池能量密度取決于電池的電壓和容量，要想提高電池能量密度除了提高正負極材料的容量外，另一個途徑便是提高電池的工作電壓，那么電池在高工作電壓下對電解液的高電壓性能也提出了新的技術要求。鋰離子電池電解液的組成部分一般包括電解質鋰鹽、高純度有機溶劑和一些特定組分的添加劑。
