热分析与锂电材料：为研发和测试提供指导性建议

01. 热分析仪器在电池材料中的常见应用

02. DSC测试正极材料的热安全性

锂离子电池正/负极材料的热失控容易引发电池的失效。DSC可对正/负极材料以及按特定比例缩小的全电池置于特定的DSC高压坩埚中进行测试。

图1 正极材料热安全性测试

图1为充电态NCM811正极材料混合一定比例电解液进行的三次重复测试，该三元正极材料出现两个放热峰，第一个放热峰出现在220℃附近，推测为电解液分解引发的三元材料的分解。两步分解放热共计超过2500J/g，放热情况十分严重，一旦热失控，可能会造成电池的爆炸。可见，DSC可快速准确地研究电池材料热失控温度、放热焓值和放热速率，也可进行不同工艺电池热失控行为的研究。

03. 负极材料的热安全性测试

锂离子电池负极在充电后处于富锂状态，且会随着电池温度的升高变得不稳定。DSC可用来检测不同充电状态负极材料的热稳定性。

图2 负极材料热安全性测试

图2是充电态NCM523负极材料混合特定比例电解液后在25uL高压坩埚中进行测试的结果，样品制备过程在手套箱中完成。测试结果显示，锂离子电池负极材料在约110℃处出现较小的放热峰，这是由于少量电解液组分的分解造成的；之后在266℃与307℃出现连续地放热峰，这主要归结于大量电解液分解引发的大量放热，超过1600J/g的热焓值也意味着放热的严重程度。此外，DSC还可用于不同充电状态或不同工艺负极材料的热稳定性研究。

04. 热安全反应动力学

动力学方法可以帮助我们了解速率、反应历程以及各种因素对化学反应的影响，并可预测体系在特定实验条件下的行为。影响锂离子电池的热失控的因素有很多种，我们可以通过动力学方法对锂离子电池的热失控行为进行研究和预测。

图3 热安全反应动力学分析

图3所示为按照特定比例混合NCM523正极材料、负极材料和电解液的测试曲线，样品被密封后使用DSC进行不同升温速率的测试。由于锂离子电池的成分较为复杂，导致分解过程分多步进行，因此，我们使用基于等转化率法的非模型动力学，得到随反应进度而变化的活化能曲线，右侧等转化率预测结果显示了体系达到特殊反应进度所需要的时间和温度。

05. 正极材料充放电状态热稳定性

正极材料是锂电池中的关键材料，正极材料的热稳定性会随着锂离子电池的充放电过程和次数发生改变。

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