中國儲能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦，100余家機構(gòu)共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了長沙礦冶院檢測技術(shù)有限公司分析師唐福利分享主題報告《鋰離子電池的熱行為和安全性研究》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
唐福利：各位專家，各位代表，大家下午好！今天跟大家交流一下鋰離子電池的熱行為和安全性研究。
一、公司簡介
下面我先簡單介紹一下我們公司。
長沙礦冶院檢測技術(shù)有限公司是世界500強企業(yè)中國五礦所屬長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司的子公司。始建于1956年，為原冶金部輔料礦質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，2021年7月轉(zhuǎn)制為國有企業(yè)。目前我們擁有透射電鏡、場發(fā)射掃描電鏡X射線衍射儀、等離子體質(zhì)譜議等百余臺設(shè)備。業(yè)務(wù)領(lǐng)域非常廣闊，可以提供電池材料、礦冶產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品、醫(yī)藥材料等多領(lǐng)域、全方位、高質(zhì)量的檢驗檢測、質(zhì)量仲裁、能力驗證、咨詢與培訓(xùn)服務(wù)，在新材料方面多次組織了氫氧化鎳鈷錳化學(xué)成份分析，鎳鈷酸鋰化學(xué)成份分析等能力驗證，涵蓋了眾多電池材料企業(yè)。目前具備CMA、CNSS、PTP資質(zhì)，起草與參與制修訂100余項國際國家行業(yè)團體標(biāo)準(zhǔn)，為工信部工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制等二十多個國家級、省部級科技創(chuàng)新平臺的重要組成部分。2022年1月長礦檢測新材料測試評價公共服務(wù)平臺第一批獲批成為湖南省產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺。
二、鋰電材料熱行為研究常用設(shè)備及原理
下面介紹一下鋰電材料熱行為研究常用的設(shè)備及原理。
首先用得最多的應(yīng)該是熱重分析，是爐體按照一定溫度程度對樣品進行加熱，由天平連續(xù)測量樣品重量的變化，可以獲得失重溫度、失重速率、失重量以及殘余質(zhì)量，對它一級微分還可以對每個階段的反應(yīng)過程進行更為細致的分析，比如圖中紅色曲線從室溫到400，基本上是一個階段完成的，但是我們通過一階可以看到明顯的兩個峰，說明該過程中至少是由兩步進行的。
差熱分析和差示掃描都是用來表征吸放熱特征，差熱更多的是溫差對時間作圖，而差示掃描量熱是由于導(dǎo)熱橋存在，基于傅里葉傳導(dǎo)方程使用定量標(biāo)定方法可以將溫差信號較為準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為熱流差，兩者都可以獲得反應(yīng)的特征溫度，觀察反映吸放熱的情況以及劇烈程度，只是DSC計算熱焓值（的準(zhǔn)確性比DTA更高，從廣義上說DSC也是對DTA的升級。同步熱分析就是將熱重與差示掃描量熱結(jié)合為一體，在同一測量中利用同一樣品，可同步得到質(zhì)量變化與吸放熱相關(guān)信息。它的特點是一次測試可以獲得多次信息，而且數(shù)據(jù)之間對應(yīng)性更佳，目前我們公司實現(xiàn)了雙配套設(shè)備。
加速量熱儀有很多種，這里介紹一下絕熱加速量熱儀。它是基于絕熱原理設(shè)計的，可以測得樣品熱分解初始溫度、絕熱過程中壓力和溫度隨時間的變化。在電池應(yīng)用中可以通過放熱化學(xué)反應(yīng)，熱量與壓力的性質(zhì)鑒別潛在危險，并為電池安全設(shè)計提供指導(dǎo)，如緊急卸壓，排放處理，過程優(yōu)化，熱穩(wěn)定性等，也可以通過提供絕熱環(huán)境，研究離子電池在不同倍率下充放電行為下的發(fā)熱行為，為熱管理設(shè)計提供參考。
量熱儀也有很多種，這里介紹一下等溫量熱儀。它的原理就是樣品中產(chǎn)生熱量的時候，便會測得熱流值。也就是說只要反應(yīng)過程中產(chǎn)生熱量，或者消耗熱量，傳感器上就會產(chǎn)生一個溫度梯度，形成負壓，由此可以測得電壓值。此電壓與傳感器中的熱流，以及安瓿瓶中的樣品反應(yīng)速率是呈正比的，量熱即會連續(xù)實施，進入相關(guān)信號，一般我們在電池應(yīng)用中是將它與藍電測試系統(tǒng)聯(lián)用，從而可以獲得相關(guān)的熱電化學(xué)參數(shù)。
看看具體應(yīng)用，包括了正極、負極隔膜、電解質(zhì)、電池。
大家知道近年來離子電池特別火，應(yīng)用廣泛，并且具有巨大的經(jīng)濟效應(yīng)，但是隨著鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，它帶來的熱失控問題也越來越突出。離子電池的工況溫度不建議超過60℃，在過充過放、短路情況下電池溫度可能會明顯升高，引發(fā)電路連鎖反應(yīng)，造成熱失控，導(dǎo)致自然爆炸等。
電池產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游、中游和下游。我們看一下電池正極材，它在電池成本所占的比例高達30～40%，具有舉足輕重的作用。常見的有層狀結(jié)構(gòu)、橄欖石和尖晶石結(jié)構(gòu)，以三元正極材料合成為例，它一般是將前驅(qū)體和鋰源充分研磨均勻后在氧化性氣溫下高溫煅燒，達到鋰鎳鈷錳的氧化物，我們對它進行一些摻雜包覆等改性，獲得我們所需性能的正極材料。
這是通過同步熱分析對前驅(qū)體的測試，從圖譜上我們可以看到，它反應(yīng)也比較簡單，主要是前驅(qū)體表面吸附水和結(jié)構(gòu)水的損失。
再來看看前驅(qū)體和鋰鹽反應(yīng)的過程分析。紅色是熱重曲線，綠色的是一階微分，藍色則是熱流曲線。通過我們對物質(zhì)性質(zhì)的了解以及圖譜分析，我們判斷是首先氫氧化鋰脫出結(jié)晶水，前驅(qū)體脫出結(jié)構(gòu)水變?yōu)殒団掍X氧化物過渡態(tài)。隨著溫度的不斷升高，氫氧化鋰?yán)^續(xù)脫水變成氧化鋰，其核心反應(yīng)主要是鎳鈷鋁氧化物過渡態(tài)和氧化鋰在氧化氣氛下發(fā)生高溫固像反應(yīng)，升成我們所說的鋰鎳鈷鋁氧化物，也就是我們的正極材料。隨著溫度升高，它自身獲得的能量越高，能量越高越不穩(wěn)定，所以會導(dǎo)致氧的釋放，鋰的脫失，層狀結(jié)構(gòu)坍塌。這個實驗可以用于鋰電材料研發(fā)探索，以及產(chǎn)品開發(fā)研究，特別是一些新產(chǎn)品的開發(fā)，因為它耗時比較短，效率高，用料少，成本低，當(dāng)然也可以作為工藝生產(chǎn)中評價材料熱穩(wěn)定性的重要依據(jù)。
這是燒結(jié)過后的材料熱穩(wěn)定性比較，我們看到在較低溫度下材料基本保持穩(wěn)定不變。
前面講的都是純材料的，也就是濕正極材料，也就是含電解液正極材料的DSC分析，從圖A中可以看到有兩個峰。第一個峰主要歸因為活性材料分解，第二個峰歸結(jié)為電解質(zhì)的燃燒，它與前面講的純正極材料是完全不一樣的。通過電解液反應(yīng)的局部放大圖和相應(yīng)熱流二階微分圖，我們可以知道熱流二階微分中兩個局部最小值點，表明電解質(zhì)中兩個反應(yīng)部分合并，第一個峰對應(yīng)DSC的燃燒，第二個峰對應(yīng)EC的燃燒，這給我們的啟示是我們在運用DSC分析探索材料的過程中，除了關(guān)注DSC的峰值以及吸放熱情況之外，我們還可以通過對一階微分，甚至二階微分進行分析，這樣我們可以獲得更多信息。相關(guān)的熱分析研究在很多高檔次文章中都有介紹，大家感興趣的話可以去查閱一下。
看一下磷酸鐵鋰改性過程中碳含量的測試。運用的是同步熱分析和質(zhì)譜議聯(lián)用。實驗借助大家是國際項標(biāo)中碳含量分析測試原理進行的。首先是在惰性氣氛下升溫到650℃，然后再降溫到300℃，在300℃之后切換到氧化性氣氛進行升溫，這樣做的目的是首先是在惰性氣氛升溫主要是裂結(jié)有機物中的碳，降低到300℃再切換到氧化性氣位，是為了以較低起點作為氧化物氣氛的起點，盡可能將不同的碳區(qū)別開來。從圖譜中我們可以看出綠色的線切換到氧化氫氣氛之后出現(xiàn)了增重，這種增重可能與亞鐵離子氧化有關(guān)，這里面臨的問題是亞鐵離子的增重可能和碳的失重存在重疊，為了進行更細致的分析，我們通過質(zhì)譜聯(lián)用得到了質(zhì)譜曲線的質(zhì)合比為44，初步判斷它產(chǎn)生了二氧化碳，而且二氧化碳的出峰位置與磷酸鐵鋁中間變化基本上一致，證實了前面增重過程中其實是伴隨失重的。
另外從圖譜信號中發(fā)現(xiàn)二氧化碳在不同溫度下產(chǎn)生了不同的二氧化碳峰，主要對應(yīng)的是不同類型的碳，以及不同形態(tài)的碳。我們通過軟件對曲線進行峰分離就可以得到每種碳占總碳的比例。如果要達到具體含量，就需要對它進行定性分析。依據(jù)是某種氣體對應(yīng)質(zhì)譜信號峰面積與此氣體的質(zhì)量呈線性正比關(guān)系，通過峰面積和氣體量來求得標(biāo)定因子，在知道標(biāo)定因子的情況下我們又可以反推出氣體量。獲得標(biāo)定因子有兩種方法，一是固態(tài)標(biāo)位法，如二氧化碳的標(biāo)定因子通過碳酸氫鈉、碳酸鋰等得到，水的標(biāo)定因子可以通過草酸鈣等獲得，主要是通過斜率來求得標(biāo)定因子。還有一種方法是在儀器中添加一個PTA附件，通過通路已知量的氣體來獲得斜率。這種思維思路也是值得大家在科研中借鑒的。
石墨純度的檢測主要是因為石墨中主要含碳，碳在氧化性氣溫下會燃燒失重，我們根據(jù)失重比例來判斷它的含量。只是在氧氣性氛下它會一定的缺陷，因為有機物殘留的雜質(zhì)是不能排除的，在此基礎(chǔ)上我們進行了一定改性。通過在二氧化碳氣氛下，讓碳和二氧化碳反應(yīng)失重生成一氧化碳，這個反應(yīng)條件更為苛刻，一定程度上可以排除掉一些干擾的，當(dāng)然也有一定的局限性。
除了根據(jù)失重來計算純度外，我們還可以通過DSC提純，因為物質(zhì)雜質(zhì)含量越高，溶解越低，熔程越寬，其熔點的下降與雜質(zhì)含量關(guān)系是滿足熱力學(xué)方程的，這種方法一般在藥品類用得相對多一些。極片含水量測試也是根據(jù)失重原理測定的。我們在實驗過程中可以增大樣品量，以及多次實驗來減少實驗誤差。
再看看隔膜。
隔膜作為鋰離子電池的重要組成成份，不僅能防止正負極直接接觸造成短路，而且它能為鋰離子電池提供通道。隔膜一般是聚合物，當(dāng)?shù)竭_熔點的時候會發(fā)生融熔流動，導(dǎo)致微孔閉合，阻止離子穿梭可能會造成熱失控，電池短路爆炸，因此評估它的穩(wěn)定性是非常重要的。目前市場上常見的有聚乙烯、聚苯烯復(fù)合隔膜、涂層隔膜等。
這是通過DSC測試PE聚乙烯隔膜，我們可以知道它的峰值溫度在145.2℃，而對涂層隔膜進行測試峰值溫度是145.9℃，在一定程度上它的穩(wěn)定性應(yīng)該是得到了提高，而且涂層隔膜穿梭強度也有所改善，所以說對電池?zé)岱€(wěn)定性是有利的。
電池?zé)崾Э胤磻?yīng)動力學(xué)機制分析
一般情況下，我們在機械熱濫用的情況下離子電池會發(fā)生一系列化學(xué)連鎖反應(yīng)，激烈快速升溫導(dǎo)致熱失控，在眾多學(xué)者的研究下，我們認為該系列連鎖化學(xué)反應(yīng)主要包括了高溫下正負金屬離子溶解加速，負極SEM分解，負極與電解液反應(yīng)隔膜熔化過程，正極與電解液分解反應(yīng)，粘結(jié)劑燃燒，最后導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍Ｔ谶@個機理過程中，我覺得隔膜熔化過程是比較重要的關(guān)鍵點。因為隔膜熔化之后，電池就算不熱失控也會導(dǎo)致短路，使電池?zé)o法使用造成報廢的情況。
我們通過量熱儀溫度掃描模式對扣式電池進行了測試，對它的處峰位置分析基本上與前面講的機理一一對應(yīng)，這也是對前面輔佐證明。
再通過加熱尋找等待模式對電池進行測試，我們從測試結(jié)果中可以知道電池在85℃左右開始發(fā)生熱失控反應(yīng)，約在1150分鐘時，也就是140℃左右出現(xiàn)了熱失控，而這個140℃與隔膜的熔化溫度是非常接近的，所以再一次證明了隔膜熔化溫度在熱失控中過程是值得關(guān)注的溫度點。
總結(jié)。
近年來科技工作者在電池?zé)岱治鲱I(lǐng)域研究非常多，包括了離子電池材料、熱穩(wěn)定性、充放電狀態(tài)熱穩(wěn)定性、熱安全反應(yīng)、動力學(xué)、以及運用聯(lián)用技術(shù)對機理進行分析，還包括針刺擠壓等安全性能測試。
總之，鋰電池性能越發(fā)穩(wěn)定，但它的安全性能目前仍然沒有解決，并且成為了目前應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，后續(xù)工作可能要深入到電池在非正常運行狀態(tài)下導(dǎo)致的熱失控，探求提高鋰離子電池安全性的有效途徑。其次，阻燃劑開發(fā)也是將來鋰離子電池的重要方向，前面老師們也講到氟離子等相關(guān)實驗，我覺得也有一定相關(guān)性。如何兼顧電化學(xué)性能和高溫性能是將來研究的熱點。
以上就是我匯報的內(nèi)容，謝謝大家！
