H.E.L鋰離子電池材料研究— BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱量熱儀的應(yīng)用

前言

鋰離子電池隔膜是鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分，其主要功能是隔離正負(fù)極以防止短路，同時(shí)允許鋰離子通過，從而實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程。隨著新能源汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)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(lái)了巨大的市場(chǎng)機(jī)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(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)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(dǎo)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(diǎn)。年來(lái)，研究人員開發(fā)出了多層復(fù)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(yīng)用。發(fā)更經(jīng)濟(jì)、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(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)汽車和消費(fèi)電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著LIBs應(yīng)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(fù)極、允許鋰離子通過的作用，其熱穩(wěn)定性對(duì)電池安全性至關(guān)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(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，但熱穩(wěn)定性較差，容易在高溫下收縮或熔化，導(dǎo)致電池短路和熱失控。因此，開發(fā)性能更好的隔膜對(duì)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(shù)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(duì)應(yīng)50、75和100個(gè)ALD循環(huán)）。對(duì)隔膜的離子傳導(dǎo)性、界面阻抗、電化學(xué)性能以及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。

結(jié)論：結(jié)構(gòu)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(luò)結(jié)構(gòu)。XPS和ICP測(cè)試證實(shí)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(jī)械性能：Al?O? ALD-PE隔膜的拉伸強(qiáng)度顯著提高，PE-75隔膜的拉伸強(qiáng)度達(dá)到105 MPa，遠(yuǎn)高于未涂覆的PE隔膜（75

MPa），且具有良好的柔韌性。

物理化學(xué)性質(zhì)：Al?O? ALD-PE隔膜對(duì)電解液的潤(rùn)濕性更好，接觸角測(cè)試顯示PE-75隔膜的接觸角為9.3度，遠(yuǎn)小于PE隔膜的33.1度。離子傳導(dǎo)性測(cè)試表明，PE-75隔膜的離子傳導(dǎo)性為2.95×10?? S/cm，高于PE隔膜的2.93×10?? S/cm。界面阻抗測(cè)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(xué)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(píng)估：通過加速量熱法（ARC）測(cè)試了不同隔膜的熱失控行為。結(jié)果顯示，使用PE-75隔膜的電池在104℃時(shí)開始微短路，比PE隔膜的電池（90℃）高，且熱失控發(fā)生時(shí)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(shí)驗(yàn)：使用HEL BTC-130標(biāo)準(zhǔn)電池絕熱加速量熱儀進(jìn)行絕熱條件下熱失控測(cè)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(cè)試前均被充電至100%的荷電狀態(tài)（SOC）測(cè)試結(jié)果對(duì)比：

使用PE隔膜的電池：T?為90℃，T?為90℃，熱失控（T?）在135℃時(shí)發(fā)生，從測(cè)試開始到熱失控發(fā)生的時(shí)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(shí)發(fā)生，從測(cè)試開始到熱失控發(fā)生的時(shí)間約為400分鐘。結(jié)論：使用PE-75隔膜的電池在熱失控測(cè)試中表現(xiàn)出了顯著的改進(jìn)。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(shí)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(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間。

來(lái)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(guān)于HEL：

H.E.L——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)猓呒儦錃鈿怏w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。

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