充“电”季预告 | 从电池材料到全电池表征的全面解决方案

2023-08-10 16:25:03, 助力电池研发的 TA仪器


经历数十年的发展,锂离子电池已在能源效率、功率输出和安全性等方面取得了巨大的进步,并被广泛应用于交通运输、消费电子和能源储存等领域,成为日常生产生活中最常见、与整个社会的生产效率和人们生活质量关系最为密切的清洁能源形式之一。

无论您想在减小体积的同时提高电池性能,还是想使用更具可持续性的材料开发全新的电池,了解电池及其主要部件材料的热学、流变学、量热学和机械力学方面的性能都是取得成功的关键。

作为热分析、流变学、微量热法和机械分析仪器的世界领先者,沃特世旗下的TA仪器(TA Instruments)能够为前沿的电池研发提供先进的分析表征工具,助力更高性能、更高安全性的电池技术开发。

TA仪器产品线

与锂电池相关的表征手段多种多样,从表征对象的角度入手考察,可以分为对构成锂电池各组件原材料的表征以及对全电池的表征。

电池原材料的表征

热分析

构成锂电池材料的主要材料可以分为电极材料、电解液/电解质及隔膜材料,下图示概括了TA仪器各种表征手段在电池材料研究中的应用。

差示扫描量热仪(DSC)可以提供电池材料的热容量、熔点和其他相变 (如结晶行为或玻璃化转变等基本热力学性质信息) 从而协助进行质量控制,确保批间一致。DSC还可检测可能影响电池运行的关键相变。

热重分析仪(TGA)可以测试电池材料的热稳定性和氧化稳定性。TGA可提供关于电池材料开始降解的温度分析,从而帮助优化材料选择,开发出性能更高、寿命更长的电池;也可以模拟电极材料的烧结过程,帮助理解反应机理,优化工艺条件。

同步热分析仪(SDT)集DSC与TGA的技术于一身,可工作至1500℃高温,使研究人员用一台仪器即可同步测量热流和重量变化数据,帮助了解电池的熔点、结晶、玻璃化转变以及材料的热稳定性。同时,TGA和SDT可与光谱、色谱和质谱等仪器联用,了解在生产或使用过程中会释放哪些化学成分,从而更好地选择材料、设计或进行添加剂改造。逸出气体分析也有助于进行杂质检测和故障分析(如热失控)。

图1:使用SDT-MS联用技术表征

碳酸锂(Li2CO3)的烧结过程

热机械分析(TMA)及动态热机械分析(DMA)技术常用于隔膜材料的表征,用以测定材料的Tg、闭孔温度和破裂温度等,其结果既可用于表征原材料的性能,也可为锂电池使用的安全评估提供重要的信息。

电池的加工工艺表征

流变学

锂电池成本中占比最高的是电极材料的成本。在电极的加工过程中生产过程中的材料组装阶段,通常需要与由固体颗粒、粘合剂和溶剂组成的浆料打交道。

在这一阶段,流变学可提供每个生产阶段(包括储存、混合、涂布和干燥)关于电池浆料的关键信息。测量流变曲线有助于确保涂层均匀、无缺陷,使生产的电极具有一致性和高质量,且批次间重现性高、废品率低,从而降低电池生产的总体成本。

图2:使用流变仪表征电池浆料

跨越6个数量级的黏流特征

锂电池的安全性

热分析及微量热

锂电池安全一直是锂电池发展及应用过程中最为重要的课题及痛点之一,而导致锂电池产生燃烧乃至爆炸等安全问题的源头在于对电池的滥用,如电滥用、机械滥用和热滥用。

热分析法可以有效模拟在热滥用过程中电极材料、隔膜、电解液等构成电池的组件和原材料的物理、化学变化过程,从而评估其安全性。此外,使用热机械分析(TMA)及动态热机械分析(DMA)等力学测试手段,还可以评估隔膜材料的熔融破裂温度、收缩率、模量等特性,从而为评估电池的系统安全性提供更加全面的信息。

图3:通过TMA 450薄膜拉伸探头研究隔膜

在两个不同方向的尺寸变化和热膨胀系数

与此同时,借助微量热技术,可以直接评价全电池在充放电循环过程中的放热现象从而评估其副反应。

图4:使用基于TAM IV微量热仪的BCMS

电池循环量热系统对锂电池副反应放热的测定

系列预告

TA仪器提供全面的分析测试手段,满足电池原材料表征、电池加工过程、及电池整体性能表现评估的全面需求。在今后的一段时间里,我们将通过一系列实际案例,陆续为您呈现这些分析测试手段在锂电池研究中的具体应用。

欢迎在文末留言告诉我们您最想看到的应用,您的想法将有机会被采纳并得到TA应用工程师的专业解答!


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