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應(yīng)用故事 | 商用電池熱穩(wěn)定性測試及圖譜分峰

更新時間:2023-11-01      點擊次數(shù):945

鋰離子電池己經(jīng)是便攜式電子設(shè)備的電源,隨著鋰離子電池在日常生活中的普及,它也受到電動汽車、混合動力汽車及儲能產(chǎn)業(yè)的廣泛關(guān)注,并獲得了一定的應(yīng)用。但是,安全性仍然是制約鋰離子電池在大型能源利用領(lǐng)域普及應(yīng)用的主要問題之一。


鋰離子電池在受到過熱、短路、擠壓或過度充放電時,會在熱行為、電化學行為上表現(xiàn)出一系列副反應(yīng),這些副反應(yīng)的產(chǎn)熱會引起電池溫度升高,溫度升高進而引起一系列變化,這些變化會促進溫度繼續(xù)升高,最終導(dǎo)致破壞性的后果,該行為被稱為熱失控。這些副反應(yīng)發(fā)生在電池材料之間,為了研究這些電池熱失控的原因及電池材料的熱穩(wěn)定性,研究者通常會借助熱分析儀器。


單一物質(zhì)的熱行為可能是比較簡單、易于被熱分析儀器分析,但是很多物質(zhì)構(gòu)成的共存體系,它的熱行為會非常復(fù)雜,難于細致深入研究。對于一個真實的鋰離子全電池,除了電池殼等外部包裝外,它至少由五種物質(zhì)構(gòu)成:正極物質(zhì)、由鋰鹽和溶劑構(gòu)成的電解液、隔膜以及負極物質(zhì)。由于隔膜多為聚合物(如聚乙稀、聚丙稀或者二者復(fù)合物,在高溫下,隔膜會發(fā)生融化。隨著融化過程的完成,正極與負極物質(zhì)會互相接觸彼此,隨之發(fā)生的短路會放出大量熱,引發(fā)電池內(nèi)部其它材料間復(fù)雜的熱反應(yīng),這些熱反應(yīng)比發(fā)生在半電池或簡單的電池材料共存體系中的熱反應(yīng)可能更為復(fù)雜,且不可控。多種物質(zhì)組成的鋰離子電池在進行熱分析時,很容易有重疊峰的情況出現(xiàn)。


那么如何研究全電池的熱行為,采用什么儀器去研究電池的熱行為?如何更方便的分析電池的熱行為?這些都是需要去解決的問題。


本文使用NETZSCH模塊化量熱儀MMC-HTCC對商用電池進行了熱穩(wěn)定性評估,同時結(jié)合Proteus 8.0軟件對測試結(jié)果進行了分峰處理,讓得到的測試結(jié)果更加清晰。

高溫紐扣電池模塊(HTCC)是耐馳多模式量熱儀MMC 274 Nexus® 的可選量熱模塊之一,專用于紐扣電池的研究。其原理類似DSC的差示掃描原理,使用垂直結(jié)構(gòu)的差示熱流傳感器、以空白紐扣電池作為參比,在均一爐體中進行升溫掃描或等溫測試。同時MMC-HTCC的爐體為3D絕熱設(shè)計,在等溫量熱過程中爐體與樣品之間維持絕熱無溫差狀態(tài),確保了對微弱熱流的靈敏而準確的捕捉。

圖1 MMC-HTCC儀器

圖2 MMC-HTCC樣品安裝圖

樣品類型:CR2032

溫度區(qū)間:100-300℃

升溫速率:1K/min

測試模式:線性升溫

圖3 PI膜包裹樣品

圖3是PI膜包裹商用紐扣電池圖,商用紐扣電池在高溫時會發(fā)生泄露,污染儀器。使用PI膜包裹電池可以有效的防止泄漏物滴落在儀器內(nèi)部,污染儀器。

圖4 商用電池MMC-HTCC測試譜圖

圖4是商用電池的MMC-HTCC的測試譜圖,從圖中可以看到該電池的吸放熱過程,表面上看此過程由2個吸熱峰和4個放熱峰組成。由于182℃的吸熱峰將放熱峰進行了分割,其他峰也出現(xiàn)不同程度的重疊。

全電池體系測試得到的熱流曲線非常復(fù)雜,多個放熱峰、吸熱峰之間互相疊加、結(jié)合在一起,很難對單個的熱反應(yīng)進行熱、動力學分析。Proteus 8.0 版及更高版本的軟件已將峰分離功能集成到 Proteus 軟件中,熱失控反應(yīng)對應(yīng)的重疊結(jié)合的熱流峰被分成一些清晰的、單個的峰。下圖為Proteus 8.0 軟件對上述商用電池測試進行分峰后的結(jié)果。

圖5 商用電池MMC-HTCC測試分峰后的譜圖

圖5 是商用電池經(jīng)過MMC-HTCC測試分峰后的譜圖,可以清晰看到軟件將測試譜圖分為5個峰。圖中峰值為164.4的峰是由隔膜的熔融吸熱引起的;峰值181.9的吸熱峰是Li熔融產(chǎn)生的;隨著溫度的升高,在峰值為192℃,出現(xiàn)了一個很大的放熱峰,這是由于LixCoO2熱分解以及釋氧與溶劑間的反應(yīng)引起的;峰值為211℃的峰是由負極中嵌鋰與有機溶劑的熱反應(yīng)引起的;溫度繼續(xù)增高,峰值在241.8℃處的放熱是電解液熱分解產(chǎn)物的氧化過程。

MMC-HTCC是一種測試紐扣電池熱穩(wěn)定性的儀器,可以準確得到樣品的放熱溫度區(qū)間,放熱量,面對重疊峰,不需要繁瑣的操作過程,可以通過強大的Proteus 8.0軟件,對測試結(jié)果進行分峰處理。

作者

劉少博

耐馳儀器公司應(yīng)用實驗室


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