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電池材料的熱特性評(píng)價(jià)分析
閱讀：53 發(fā)布時(shí)間：2026-2-2鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于手機(jī)以及筆記本電腦等家用電器中。今后，作為交通工具的飛機(jī)、混合動(dòng)力車（HV）以及電動(dòng)車（EV）等對(duì)鋰離子電池的需求也將顯著增加，為此，鋰離子電池需要具備更高的功率、效率，以及更長(zhǎng)的使用壽命、更高的安全性。 鋰離子電池由陽(yáng)極、陰極、電解液、分離器等部分組成，為提高性能，需要使用儀器對(duì)每個(gè)組成部分以及整個(gè)電池進(jìn)行詳細(xì)的特性評(píng)價(jià)和解析。本文向您介紹使用熱分析法對(duì)鋰離子電池進(jìn)行熱特性評(píng)價(jià)的示例
電極材料的熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)：
如果鋰離子電池過(guò)度充電，可能會(huì)異常發(fā)熱，從而導(dǎo)致著火。為此，評(píng)價(jià)電池的安全性能時(shí)，需評(píng)價(jià)電池各部分在加熱時(shí)的反
應(yīng)。圖1 中上方的曲線是使用DSC（差示掃描量熱儀）對(duì)充電后的電池中的陽(yáng)極活性物質(zhì)（LiCoO4）和電解液進(jìn)行測(cè)定得到的結(jié)果。由圖可知，由于充電活性物質(zhì)變得不穩(wěn)定，在200 °C 附近檢測(cè)到因分解而產(chǎn)生的巨大發(fā)熱峰。該峰越小且溫度越高的地方，熱穩(wěn)定性就越高越安全，這是選擇電極材料化合物以及制備時(shí)的重要參考信息。 下方的曲線是對(duì)未充電電池中的陽(yáng)極活性物質(zhì)和電解液進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果。由此可知，活性物質(zhì)很穩(wěn)定，并未發(fā)生大的發(fā)熱現(xiàn)象。
電極材料中水分含量的測(cè)定：
由于水分對(duì)鋰離子電池質(zhì)量影響極大，在生產(chǎn)階段對(duì)材料中水分含量的管理極為重要。在此我們?yōu)榇蠹医榻B使用TGA（熱重量測(cè)量?jī)x）來(lái)計(jì)算電極活性物質(zhì)的石墨和LiFePO4 水分含量的示例 圖2 的橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為重量減少率。對(duì)樣品進(jìn)行加熱，并計(jì)算了加熱至200 °C 時(shí)重量的減少程度。由圖可知，石墨的重量減少為0.033 %，僅有微量變化。通常TGA 儀器測(cè)定的樣品量最多數(shù)十毫克左右，使用可以指定樣品克數(shù)的微型TGA，可以檢測(cè)到樣品更微量的變化
分離器的熱特性：
分離器不僅具有防止陽(yáng)極和陰極短路的功能，還可以傳輸鋰離子，是確保電池性能和安全的重要組成部分。圖3 為對(duì)3 種分
離器進(jìn)行DSC 測(cè)定的結(jié)果。 對(duì)各個(gè)樣品加熱至100～150 °C 后，檢測(cè)到聚乙烯熔化的吸熱峰。熔化的峰溫度按照樣品①＜②＜③的順序逐漸變高。 由此可知，分離器在熔化溫度附近開(kāi)始收縮，說(shuō)明當(dāng)電池異常發(fā)熱時(shí)，在高溫狀態(tài)下發(fā)生收縮更為安全。在160 °C 附近檢測(cè)到樣品②的吸熱峰，可推斷其中含有微量的聚丙烯
圖4 為通過(guò)TMA（熱機(jī)械分析）測(cè)定加熱后樣品尺寸變化的結(jié)果。對(duì)薄膜沿拉力方向一邊施加微小載荷，一邊測(cè)量其伸長(zhǎng)或收縮量。分別在MD（縱向）和TD（橫向）2 個(gè)方向，對(duì)與DSC測(cè)試目標(biāo)①、②相同的物質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定。 比較樣品①和②時(shí)，發(fā)現(xiàn)與DSC 的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，MD（縱向）和TD（橫向）的結(jié)果均顯示樣品②在高溫時(shí)具有收縮傾向。另外，樣品①和②都顯示出TD（橫向）的收縮量小于MD（縱向）。在橫向收縮中，樣品①的收縮量比樣品②要小。從防止異常發(fā)熱時(shí)發(fā)生短路這一安全角度考慮，樣品①的收縮溫度較低不占優(yōu)勢(shì)，但其TD（橫向）收縮量較小，這一點(diǎn)又比較有利圖5 為T(mén)MA 測(cè)定得到的收縮應(yīng)力。由圖可知，隨著加熱溫度升高，收縮應(yīng)力也增大，在130 °C 前后達(dá)到大應(yīng)力后開(kāi)始減少。 還由圖可知，MD（縱向）的收縮應(yīng)力大于TD（橫向）。由圖4 可知，在 MD 方向未觀察到樣品①和②明顯有明顯的收縮變化，而收縮應(yīng)力則存在顯著的不同
