H.E.L 鎂離子電池電解液研究—BTC-130 標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀

鎂離子電池因其高理論比容量（2205 mAh/g）和高體積容量（3832 mAh/cm3）而備受關(guān)注,。此外，鎂作為地殼中第五豐富的元素,，成本僅為鋰的1/24,，且具有較高的閃點(diǎn)，使其在安全性方面具有顯著優(yōu)勢(shì),。然而,，Mg離子電池的發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)，如電解液的穩(wěn)定性,、正極材料的性能優(yōu)化以及電池的循環(huán)壽命等,。鎂離子電池在電動(dòng)汽車、便攜電子設(shè)備和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化電解液和電極材料,，鎂離子電池有望在能量密度、循環(huán)壽命和安全性方面取得突破,，從而推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用,。

案例：評(píng)估和實(shí)現(xiàn)更安全的Mg-S電池：電解液的決定性作用

Sheng, L., Hao, Z., Feng, J., Du, W., Gong, M., Kang, L., Shearing, P. R., Brett, D. J. L., Huang, Y., & Wang, F. R. (2021). Evaluation and realization of safer Mg-S battery: The decisive role of the electrolyte. Nano Energy, 83, 105832. 

背景:高效可逆的能源存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)于消費(fèi)電子、汽車推進(jìn)和解決綠色電力間歇性至關(guān)重要,。鋰金屬陽(yáng)極雖具有高比容量和低電位,，但在循環(huán)過(guò)程中會(huì)形成針狀枝晶，影響電化學(xué)性能并帶來(lái)火災(zāi)隱患,。鎂硫電池因其在電鍍過(guò)程中通常不會(huì)形成枝晶而被認(rèn)為是一種更安全的替代品,。鎂的閃點(diǎn)高，且在地殼中含量豐富,，成本較低,，具有較高的理論比容量。

研究方法：

• 電池測(cè)試量熱法（BTC）：通過(guò)模擬電池內(nèi)部短路引發(fā)的熱失控過(guò)程,，研究電池在異常狀態(tài)下的溫度變化和爆炸行為,。    

• 電解液選擇：研究了三種醚類電解液（DME、DEG和TEG）的性能,、安全性和成本,。

• 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：通過(guò)改變加熱速率、硫負(fù)載量和電解液混合比例,，研究這些因素對(duì)電池?zé)崾Э販囟群蛪毫Φ挠绊憽?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

• 熱失控觸發(fā)：DME和DEG電池在超過(guò)電解液沸點(diǎn)20-45K時(shí)觸發(fā)熱失控,，對(duì)應(yīng)于電池與環(huán)境之間的壓力差為70-150kPa。

• 爆炸行為：DME電池在403±4K時(shí)爆炸，DEG電池在455±6K時(shí)爆炸,，而TEG電池由于沸點(diǎn)較高,，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)未發(fā)生爆炸。

• 性能與安全性權(quán)衡：DME電池在性能和成本上具有優(yōu)勢(shì),，但安全性需要認(rèn)真考慮,。DEG和TEG電池雖然安全性更高，但性能和成本表現(xiàn)較差,。

• 分子結(jié)構(gòu)影響：電解液的鏈長(zhǎng)對(duì)電池的整體評(píng)估起決定性作用,。較短鏈的電解液具有較低的爆炸溫度，但Mg2?遷移率較高,，導(dǎo)致更好的充放電性能,。

結(jié)論：

• 電解液蒸汽壓是關(guān)鍵：電解液的蒸汽壓是決定Mg-S電池安全性的關(guān)鍵因素。通過(guò)分子工程設(shè)計(jì)具有更高分子量或極性的短鏈分子,，可以獲得更高的沸點(diǎn)和更低的蒸汽壓,，從而在提高電池安全性的同時(shí)保持或提升電池性能。   

• 性能,、安全性和成本的平衡：通過(guò)調(diào)整電解液的分子結(jié)構(gòu),，可以在性能、安全性和成本之間取得平衡,，為Mg-S電池的商業(yè)化提供指導(dǎo),。

熱失控實(shí)驗(yàn)：

• 設(shè)備：使用BTC-130 標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀進(jìn)行熱失控測(cè)試。

• 電池準(zhǔn)備：將CR2032型扣式電池用鎂箔作為陽(yáng)極,，CMK-3/S復(fù)合材料作為陰極,，Whatman玻璃纖維作為隔膜，以及準(zhǔn)備好的電解液,。

• 測(cè)試條件：電池被放置在一個(gè)受保護(hù)的爆炸室內(nèi)，通過(guò)程序化的溫度加熱,，以不同的固定速率加熱至523K,。電池的溫度每5秒測(cè)量一次。

• 數(shù)據(jù)記錄：記錄電池在加熱過(guò)程中的溫度變化,，以及在熱失控時(shí)的溫度跳變（Temperature Jump, TJ）,。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：熱失控觸發(fā)：

• DME電池：在403±4K時(shí)爆炸，比電解液沸點(diǎn)高45K,，對(duì)應(yīng)的蒸汽壓為249±14 kPa,。

• DEG電池：在455±6K時(shí)爆炸，比電解液沸點(diǎn)高20K,，對(duì)應(yīng)的蒸汽壓為172±28 kPa,。

• TEG電池：由于沸點(diǎn)較高，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)未發(fā)生爆炸。

爆炸行為：

• DME電池：在爆炸時(shí),，電池完全被破壞,，所有六個(gè)組件都散落在測(cè)試室內(nèi)。

• DEG電池：在爆炸時(shí),，電池基本保持完整,，但有一個(gè)大裂縫，導(dǎo)致所有DEG電解液蒸發(fā),。

• TEG電池：在測(cè)試溫度限制（523K）內(nèi)保持完整,。

溫度跳變（TJ）：

• DME和DEG電池：在爆炸時(shí)記錄到溫度跳變，DME電池在400K時(shí)記錄到TJ,，DEG電池在450K時(shí)記錄到TJ,。

• TEG電池：未記錄到TJ，表明TEG電池在測(cè)試溫度范圍內(nèi)未發(fā)生爆炸,。

爆炸溫度與加熱速率的關(guān)系：

• DME和DEG電池：無(wú)論加熱速率如何變化（1 K/min到20 K/min）,，DME和DEG電池的爆炸溫度保持不變，分別為403±4K和455±6K,。

• 壓力計(jì)算：通過(guò)蒸汽壓方程計(jì)算電池在爆炸時(shí)的壓力,，DME電池為249±14 kPa，DEG電池為172±28 kPa,。

密封壓力的影響：

• DME電池：提高電池的密封壓力從0.5 TON到0.75 TON,，熱失控溫度從393K增加到439K。當(dāng)密封壓力進(jìn)一步增加到1.4 TON時(shí),，熱失控溫度穩(wěn)定在439K到451K之間,。

硫負(fù)載的影響：

• DME和DEG電池：硫負(fù)載量的變化對(duì)爆炸溫度沒(méi)有影響，DME和DEG電池的爆炸溫度仍分別為403±4K和455±6K,。

Hazard Evaluation Laboratories 

成立于1987年,，總部設(shè)在倫敦，在中國(guó),、美國(guó),、德國(guó)、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(shè)立。H.E.L最初是一家過(guò)程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評(píng)估的專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu),，對(duì)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過(guò)程研發(fā)項(xiàng)目,；同時(shí)提供安全咨詢，包括事故調(diào)查,、HAZOP研究,、安全設(shè)施的設(shè)計(jì)及制度管理等,。目前，H.E.L是全球首屈一指的過(guò)程工藝及安全專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu),，同時(shí)已經(jīng)發(fā)展成為一家致力于為客戶提供專業(yè)的過(guò)程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評(píng)估設(shè)備的國(guó)際集團(tuán)企業(yè),。關(guān)于綠綿科技

　　2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡(jiǎn)稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務(wù)價(jià)值為宗旨，以專業(yè)精神和技能為廣大實(shí)驗(yàn)室分析工作者提供樣品前處理,、樣品制備及分析,、實(shí)驗(yàn)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(cè)的效率和水平,。

　　主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機(jī)租賃業(yè)務(wù)/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(diǎn)滲透壓儀、液相/超高壓液相色譜儀,、在線SPE液相色譜儀/法國(guó)F-DGSi氮?dú)?，超高純氫氣氣體發(fā)生器，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學(xué)設(shè)備/LabOS實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)/MassWorks準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)測(cè)定及分子式識(shí)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(bào)告系統(tǒng)（QRS)/英國(guó)赫伊爾生物反應(yīng)器,，電池絕熱量熱,、催化劑合成。

2025-YJ04-01/47