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应用故事 | 商用电池热稳定性测试及图谱分峰

更新时间:2022-11-01      点击次数:191

锂离子电池己经是便携式电子设备的电源,随着锂离子电池在日常生活中的普及,它也受到电动汽车、混合动力汽车及储能产业的广泛关注,并获得了一定的应用。但是,安全性仍然是制约锂离子电池在大型能源利用领域普及应用的主要问题之一。


锂离子电池在受到过热、短路、挤压或过度充放电时,会在热行为、电化学行为上表现出一系列副反应,这些副反应的产热会引起电池温度升高,温度升高进而引起一系列变化,这些变化会促进温度继续升高,最终导致破坏性的后果,该行为被称为热失控。这些副反应发生在电池材料之间,为了研究这些电池热失控的原因及电池材料的热稳定性,研究者通常会借助热分析仪器。


单一物质的热行为可能是比较简单、易于被热分析仪器分析,但是很多物质构成的共存体系,它的热行为会非常复杂,难于细致深入研究。对于一个真实的锂离子全电池,除了电池壳等外部包装外,它至少由五种物质构成:正极物质、由锂盐和溶剂构成的电解液、隔膜以及负极物质。由于隔膜多为聚合物(如聚乙稀、聚丙稀或者二者复合物,在高温下,隔膜会发生融化。随着融化过程的完成,正极与负极物质会互相接触彼此,随之发生的短路会放出大量热,引发电池内部其它材料间复杂的热反应,这些热反应比发生在半电池或简单的电池材料共存体系中的热反应可能更为复杂,且不可控。多种物质组成的锂离子电池在进行热分析时,很容易有重叠峰的情况出现。


那么如何研究全电池的热行为,采用什么仪器去研究电池的热行为?如何更方便的分析电池的热行为?这些都是需要去解决的问题。


本文使用NETZSCH模块化量热仪MMC-HTCC对商用电池进行了热稳定性评估,同时结合Proteus 8.0软件对测试结果进行了分峰处理,让得到的测试结果更加清晰。

高温纽扣电池模块(HTCC)是沙龙体育多模式量热仪MMC 274 Nexus® 的可选量热模块之一,专用于纽扣电池的研究。其原理类似DSC的差示扫描原理,使用垂直结构的差示热流传感器、以空白纽扣电池作为参比,在均一炉体中进行升温扫描或等温测试。同时MMC-HTCC的炉体为3D绝热设计,在等温量热过程中炉体与样品之间维持绝热无温差状态,确保了对微弱热流的灵敏而准确的捕捉。

图1 MMC-HTCC仪器

图2 MMC-HTCC样品安装图

样品类型:CR2032

温度区间:100-300℃

升温速率:1K/min

测试模式:线性升温

图3 PI膜包裹样品

图3是PI膜包裹商用纽扣电池图,商用纽扣电池在高温时会发生泄露,污染仪器。使用PI膜包裹电池可以有效的防止泄漏物滴落在仪器内部,污染仪器。

图4 商用电池MMC-HTCC测试谱图

图4是商用电池的MMC-HTCC的测试谱图,从图中可以看到该电池的吸放热过程,表面上看此过程由2个吸热峰和4个放热峰组成。由于182℃的吸热峰将放热峰进行了分割,其他峰也出现不同程度的重叠。

全电池体系测试得到的热流曲线非常复杂,多个放热峰、吸热峰之间互相叠加、结合在一起,很难对单个的热反应进行热、动力学分析。Proteus 8.0 版及更高版本的软件已将峰分离功能集成到 Proteus 软件中,热失控反应对应的重叠结合的热流峰被分成一些清晰的、单个的峰。下图为Proteus 8.0 软件对上述商用电池测试进行分峰后的结果。

图5 商用电池MMC-HTCC测试分峰后的谱图

图5 是商用电池经过MMC-HTCC测试分峰后的谱图,可以清晰看到软件将测试谱图分为5个峰。图中峰值为164.4的峰是由隔膜的熔融吸热引起的;峰值181.9的吸热峰是Li熔融产生的;随着温度的升高,在峰值为192℃,出现了一个很大的放热峰,这是由于LixCoO2热分解以及释氧与溶剂间的反应引起的;峰值为211℃的峰是由负极中嵌锂与有机溶剂的热反应引起的;温度继续增高,峰值在241.8℃处的放热是电解液热分解产物的氧化过程。

MMC-HTCC是一种测试纽扣电池热稳定性的仪器,可以准确得到样品的放热温度区间,放热量,面对重叠峰,不需要繁琐的操作过程,可以通过沙龙体育的Proteus 8.0软件,对测试结果进行分峰处理。

作者

刘少博

沙龙体育仪器公司应用实验室


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