钜大LARGE | 点击量：866次 | 2021年04月06日
详解锂离子充电电池电解液以及正极材料的安全性评价
锂离子电池的应用十分广泛，如手机、笔记本、电动汽车等已成为生活中不可或缺的产品。随着其在汽车以及电力储藏等领域大型化的应用、对其高性能和安全性要求也越来越高。
锂离子电池具有极高的能量密度，这是因为电池中封装了更多活性材料，且电极和隔膜越来越薄、越来越轻。这些均要电池组成材料之间的完美搭配、若设计不足或者滥用，就会出现热失控现象，导致冒烟、起火甚至爆炸等事故。
因此对锂离子电池的生产和使用过程中的安全性评价非常重要，下面就让我们用日立DSC7000系列对锂离子充电电池电解液以及正极材料进行安全性评价。
样品处理和容器
■样品处理的气氛
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
LIB的构成中包含很多反应性高的材料。实际产品被封装在惰性气氛中，因此DSC测定也必须将其密封在惰性气体中进行。（为了防止大气中的水分、氧气、二氧化碳等气氛对样品的影响、样品处理在手套箱中进行。）
■容器
样品分解出现的气体、会污染DSC传感器、可能造成仪器功能损坏，因此需选择密封形的容器。另外测试时容器内部压力增大，故要选择高耐压值的SUS密封容器。
电解液正极材料的热特性的研究
■电解液
电解液的DSC结果如上图所示：
样品中溶剂为高介电常数溶剂碳酸乙烯酯（EC）和低粘度溶剂碳酸甲基乙基酯（EMC），电解质为六氟磷酸锂（LiPF6）。
在升温过程中，该电解液先熔融再分解，在244℃开始熔融，分解放热峰温度278℃，同时还可以得到其分解放热量。
■电解液+正极材料
实验结果-2.png
这里显示把电解液和正极材料混合密封在容器中的样品的DSC测定结果。正极材料是充电状态的锰酸锂（LixMn2O4、X=0(充电状态)）。
183℃附近有一个放热反应，随后有一个放热峰，放热峰峰值约为290℃，与上述的电解液相比、在低温测得（183℃）开始放热，这是正极材料的热分解，释放氧气、使得电解液氧化分解。
从上述DSC测定中，可观察到热分解的起始温度、可以评价LIB的热稳定性、起始温度越高热稳定性越高。本资料显示的是完全充电状态的结果、也有充电越多，Li脱离量越多、热稳定性也会越降低的报告。近年来人类对太阳能、风能、潮汐能、地热能等清洁可持续能源的研究不断深入，相关的开采和转化利用技术也在不断取得进步。但是我们都了解这些能量源要么具有间歇性要么严重受到地域限制，因此相关的储能技术也随之应运而生，其中锂离子电池作为现有储能技术的重要组成部分越来越受到人们的重视。
另一方面，锂离子电池作为一种便携式储能设备也广泛应用于手机、笔记本电脑、相机、电动自行车、电动汽车等领域。根据我国汽车工程学会公布的《节能与新能源汽车技术路线图》，到2020年，纯电动汽车动力锂电池单体比能量密度达到350Wh/kg；2025年达到400Wh/kg；2030年则要达到500Wh/kg。根据对现有产业技术的了解，现在锂离子电池的能量密度在240Wh/kg左右，而特斯拉所使用的电池（采用高镍三元材料作为正极，硅碳复合材料作为负极，电池型号采用21700圆柱形）能量密度则高达300Wh/kg，它代表了现有的锂离子电池能量密度的最高水平。但是现在电动汽车的续航里程还不太令人满意，现在对锂离子电池技术提出更高的要求。
我们都了解锂离子电池的重要组成部分包括四个方面：正极材料、负极材料、电解液、隔膜。电解液作为锂离子电池的重要组成部分对提升锂离子电池的循环性能、能量密度，从而进一步提升电动汽车续航里程起着不可替代的用途。锂离子电池能量密度取决于电池的电压和容量，要想提高电池能量密度除了提高正负极材料的容量外，另一个途径便是提高电池的工作电压，那么电池在高工作电压下对电解液的高电压性能也提出了新的技术要求。锂离子电池电解液的组成部分一般包括电解质锂盐、高纯度有机溶剂和一些特定组分的添加剂。
