鉅大LARGE | 點擊量：882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(yīng)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(chǎn)品。隨著其在汽車以及電力儲藏等領(lǐng)域大型化的應(yīng)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(shè)計不足或者濫用，就會出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，導(dǎo)致冒煙、起火甚至爆炸等事故。
因此對鋰離子電池的生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)
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(gòu)成中包含很多反應(yīng)性高的材料。實際產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)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(jié)果如上圖所示：
樣品中溶劑為高介電常數(shù)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(zhì)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(jié)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(jié)果。正極材料是充電狀態(tài)的錳酸鋰（LixMn2O4、X=0(充電狀態(tài))）。
183℃附近有一個放熱反應(yīng)，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(wěn)定性、起始溫度越高熱穩(wěn)定性越高。本資料顯示的是完全充電狀態(tài)的結(jié)果、也有充電越多，Li脫離量越多、熱穩(wěn)定性也會越降低的報告。近年來人類對太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿惹鍧嵖沙掷m(xù)能源的研究不斷深入，相關(guān)的開采和轉(zhuǎn)化利用技術(shù)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(yán)重受到地域限制，因此相關(guān)的儲能技術(shù)也隨之應(yīng)運而生，其中鋰離子電池作為現(xiàn)有儲能技術(shù)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(shè)備也廣泛應(yīng)用于手機、筆記本電腦、相機、電動自行車、電動汽車等領(lǐng)域。根據(jù)我國汽車工程學(xué)會公布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)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(jù)對現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)技術(shù)的了解，現(xiàn)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(fù)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(xiàn)有的鋰離子電池能量密度的最高水平。但是現(xiàn)在電動汽車的續(xù)航里程還不太令人滿意，現(xiàn)在對鋰離子電池技術(shù)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(huán)性能、能量密度，從而進一步提升電動汽車?yán)m(xù)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(shù)要求。鋰離子電池電解液的組成部分一般包括電解質(zhì)鋰鹽、高純度有機溶劑和一些特定組分的添加劑。
