H.E.L鋰離子電池材料研究— BTC-130標準電池絕熱量熱儀的應用

前言

鋰離子電池隔膜是鋰離子電池的關鍵組成部分,，其主要功能是隔離正負極以防止短路,，同時允許鋰離子通過，從而實現(xiàn)電池的充放電過程,。隨著新能源汽車和儲能系統(tǒng)的快速發(fā)展,，對高性能鋰離子電池的需求不斷增加，這為鋰離子電池隔膜材料的發(fā)展帶來了巨大的市場機遇,。傳統(tǒng)的微孔聚烯烴隔膜（如聚乙烯和聚丙烯）雖然具有良好的機械強度和化學穩(wěn)定性,，但存在熱穩(wěn)定性差的問題，容易在高溫下收縮,，導致電池短路和熱失控,。因此，開發(fā)高性能,、高安全性,、高熱穩(wěn)定性的隔膜材料成為研究的重點,。年來，研究人員開發(fā)出了多層復合隔膜以及表面涂覆有陶瓷,、聚合物等材料的隔膜,，以提高電池的安全性和循環(huán)壽命。此外,，新型隔膜材料如聚酰亞胺氣凝膠隔膜,、芳綸聚合物隔膜等也逐漸被探索和應用。發(fā)更經(jīng)濟,、高效的隔膜材料,，有助于降低鋰離子電池的生產(chǎn)成本，使其在更廣泛的市場中具有競爭力,。

案例：帶有超薄Al?O?涂層聚乙烯隔膜的高性能,、高安全的鋰離子電池研究

背景:鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度、穩(wěn)定的循環(huán)性能和快速充放電能力,，在電動汽車和消費電子領域得到了廣泛應用,。然而，隨著LIBs應用的增加,，其安全性問題日益凸顯,，尤其是熱失控問題。隔膜在LIBs中起到分隔正負極,、允許鋰離子通過的作用,，其熱穩(wěn)定性對電池安全性至關重要。傳統(tǒng)的聚烯烴微孔隔膜（如PE隔膜）雖然具有良好的機械性能和化學穩(wěn)定性,，但熱穩(wěn)定性較差,，容易在高溫下收縮或熔化，導致電池短路和熱失控,。因此,，開發(fā)性能更好的隔膜對于提高LIBs的安全性具有重要意義。

研究方法：通過原子層沉積（ALD）技術在7微米厚的PE隔膜表面精確涂覆了一層約10納米厚的Al?O?層,。使用三甲基鋁（TMA）和高純水作為前驅(qū)體,，通過交替脈沖方法在PE隔膜上沉積Al?O?。通過控制ALD循環(huán)次數(shù),，制備了不同厚度的Al?O?涂層隔膜（PE-50,、PE-75和PE-100，分別對應50,、75和100個ALD循環(huán)）,。對隔膜的離子傳導性、界面阻抗、電化學性能以及熱穩(wěn)定性進行了評估,。

結論：結構特性：通過SEM觀察到PE隔膜表面涂覆了均勻的Al?O?層,，且保留了PE隔膜的微孔網(wǎng)絡結構。XPS和ICP測試證實了Al?O?的成功涂覆,，并且隨著ALD循環(huán)次數(shù)的增加,，Al?O?含量增加。

機械性能：Al?O? ALD-PE隔膜的拉伸強度顯著提高,，PE-75隔膜的拉伸強度達到105 MPa,，遠高于未涂覆的PE隔膜（75

MPa），且具有良好的柔韌性,。

物理化學性質(zhì)：Al?O? ALD-PE隔膜對電解液的潤濕性更好,，接觸角測試顯示PE-75隔膜的接觸角為9.3度，遠小于PE隔膜的33.1度,。離子傳導性測試表明,，PE-75隔膜的離子傳導性為2.95×10?? S/cm，高于PE隔膜的2.93×10?? S/cm,。界面阻抗測試顯示,，PE-75隔膜的界面阻抗為72歐姆，低于PE隔膜的207歐姆,。

電化學性能：使用PE-75隔膜的4.5 V LiCoO?/Li扣式電池展現(xiàn)出更好的初始放電比容量（184.3 mAh/g）和循環(huán)保持率（96%）,，在0.5C下循環(huán)300次后，相比PE隔膜的電池（176.8mAh/g,；87.7%）性能提升顯著,。

安全性評估：通過加速量熱法（ARC）測試了不同隔膜的熱失控行為。結果顯示,，使用PE-75隔膜的電池在104℃時開始微短路,，比PE隔膜的電池（90℃）高，且熱失控發(fā)生時間比PE隔膜的電池晚約200分鐘,，表明PE-75隔膜具有更好的安全性,。

產(chǎn)品推薦：

熱失控實驗：使用HEL BTC-130標準電池絕熱加速量熱儀進行絕熱條件下熱失控測試：

使用不同隔膜（PE和PE-75）的LiCoO?/石墨軟包電池l所有軟包電池在測試前均被充電至100%的荷電狀態(tài)（SOC）測試結果對比：

使用PE隔膜的電池：T?為90℃,，T?為90℃,，熱失控（T?）在135℃時發(fā)生，從測試開始到熱失控發(fā)生的時間約為200分鐘,。

使用PE-75隔膜的電池：T?為104℃,，T?為104℃，熱失控（T?）在135℃時發(fā)生,，從測試開始到熱失控發(fā)生的時間約為400分鐘,。結論：使用PE-75隔膜的電池在熱失控測試中表現(xiàn)出了顯著的改進。其T?和T?溫度更高,，表明PE-75隔膜具有更好的熱穩(wěn)定性,，能夠承受更高的溫度而不發(fā)生微短路,。此外，熱失控發(fā)生的時間比使用PE隔膜的電池晚約200分鐘,，這表明PE-75隔膜顯著提高了電池的安全性,，能夠有效延緩熱失控的發(fā)生，為電池的安全使用提供了更長的預警時間,。

來源Gong, J., Shi, S., Cheng, S., Yang, K., Zheng, P., Xu,Y., ... & Xie, M. (2024). High-performance and safe lithium-ion battery with precise ultrathin Al?O?-coated polyethylene separator. Applied Surface Science, 659, 159918. 

關于HEL：

H.E.L——Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年,，總部設在倫敦，在中國,、美國,、德國、意大利,、印度擁有分公司,。全資的赫伊爾商貿(mào)（北京）有限公司于 2020年在北京設立。

H.E.L最初是一家過程工藝優(yōu)化及反應危害評估的專業(yè)咨詢機構,，對研究機構和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過程研發(fā)項目,；同時提供安全咨詢，包括事故調(diào)查,、HAZOP研究,、安全設施的設計及制度管理等。目前,，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業(yè)咨詢機構,，同時已經(jīng)發(fā)展成為一家致力于為客戶提供專業(yè)的過程工藝優(yōu)化及反應危害評估設備的國際集團企業(yè)。

關于綠綿科技

　　2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務價值為宗旨,，以專業(yè)精神和技能為廣大實驗室分析工作者提供樣品前處理,、樣品制備及分析、實驗數(shù)據(jù)精確分析和管理的全面解決方案,，致力于協(xié)助客戶提高分析檢測的效率和水平,。

　　主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機租賃業(yè)務/LUMTECH循環(huán)制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發(fā)，中試和生產(chǎn)脂質(zhì)納米顆粒（LNP)碰撞噴射混合器系統(tǒng)/冰點滲透壓儀,、液相/超高壓液相色譜儀,、在線SPE液相色譜儀/法國F-DGSi氮氣，超高純氫氣氣體發(fā)生器,，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學設備/LabOS實驗室運營系統(tǒng)/MassWorks準確質(zhì)量數(shù)測定及分子式識別系統(tǒng)/MsMetrix氣質(zhì)香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農(nóng)殘凈化柱/制藥企業(yè)質(zhì)量回顧性報告系統(tǒng)（QRS)/英國赫伊爾生物反應器,，電池絕熱量熱、催化劑合成,。

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