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，從而實現電池的充放電過程。隨著新能源汽車和儲能系統的快速發展，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展帶來了巨大的市場機遇。傳統的微孔聚烯烴隔膜（如聚乙烯和聚丙烯）雖然具有良好的機械強度和化學穩定性，但存在熱穩定性差的問題，容易在高溫下收縮，導致電池短路和熱失控。因此，開發高性能、高安全性、高熱穩定性的隔膜材料成為研究的重點。年來，研究人員開發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。發更經濟、高效的隔膜材料，有助于降低鋰離子電池的生產成本，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、穩定的循環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，其熱穩定性對電池安全性至關重要。傳統的聚烯烴微孔隔膜（如PE隔膜）雖然具有良好的機械性能和化學穩定性，但熱穩定性較差，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循環次數，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）。對隔膜的離子傳導性、界面阻抗、電化學性能以及熱穩定性進行了評估。

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循環次數的增加，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：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扣式電池展現出更好的初始放電比容量（184.3 mAh/g）和循環保持率（96%），在0.5C下循環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（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℃時發生，從測試開始到熱失控發生的時間約為200分鐘。

使用PE-75隔膜的電池：T?為104℃，T?為104℃，熱失控（T?）在135℃時發生，從測試開始到熱失控發生的時間約為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定性，能夠承受更高的溫度而不發生微短路。此外，熱失控發生的時間比使用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（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化及反應危害評估的專業咨詢機構，對研究機構和生產企業承接工藝過程研發項目；同時提供安全咨詢，包括事故調查、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咨詢機構，同時已經發展成為一家致力于為客戶提供專業的過程工藝優化及反應危害評估設備的國際集團企業。

關于綠綿科技

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　　主要代理產品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機租賃業務/LUMTECH循環制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發，中試和生產脂質納米顆粒（LNP)碰撞噴射混合器系統/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，超高純氫氣氣體發生器，液氮發生器/Cytiva生命科學設備/LabOS實驗室運營系統/MassWorks準確質量數測定及分子式識別系統/MsMetrix氣質香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農殘凈化柱/制藥企業質量回顧性報告系統（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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