锂离子电池分析指南 |热分析

热分析创新分析解决方案可用于测试单个电池组件，如阳极/阴极电极材料、隔膜、电解质等。研究电池热稳定性、放热反应和焓值的关键工具包括差示扫描量热法（DSC）、热重法（TGA）、热机械分析（TMA）和动态力学分析（DMA）。

与热失控情况相关的风险，例如过热和可能的爆炸，对于在电动汽车应用中使用锂离子电池（LIB）尤为重要。电池安全是电池技术在我们日常生活中进一步使用的关键组成部分。

本应用指南概述了锂离子电池技术，并演示了如何将各种热分析技术用于一系列研发和QC应用。

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提供了以下应用示例：

LiFePO₄ 正极材料在电解液中的热稳定性
电解质混合物的表征
TGA和TMA对微孔隔膜的分析
通过TGA和DSC对PVDF进行质量控制
氧化石墨烯向石墨烯的转化（阳极材料）

电池组件热分析技术的常见应用

为了从单个实验中获取有关降解组分的更多信息，可以将梅特勒托利多TGA或TGA/DSC连接到合适的气体分析系统中。新系统现在可以执行逸出气体分析（EGA）。TGA可以连接到傅里叶变换红外光谱、质谱、气相色谱-质谱或微量气相色谱-质谱（分别为FTIR光谱、MS、GC/MS;Micro GC（/MS）。

锂离子电池的基本工作原理

锂离子电池由正极（阴极）、负极（阳极）和电解液组成。当电池充电时，阴极（通常是钴酸锂）被氧化，阳极（通常是石墨）被还原。当电池放电时，情况正好相反。Li+ 离子不参与整个电化学反应并保持其氧化态。它们通过由有机溶剂、锂盐和各种添加剂组成的液体电解质扩散在阳极和阴极之间传播。隔膜确保阳极和阴极保持电隔离，但具有多孔性，足够使电解质和Li+离子能够轻松通过。

电极（阳极和阴极）
电极的性能和安全性很大程度上受充电/放电引起的老化和阴极活性材料降解的影响。热分析技术可精确测量热容、分解温度和焓值，是热稳定性研究的基本辅助工具。

电池隔膜
锂离子电池的隔膜对电池性能和寿命以及可靠性和安全性具有至关重要的影响。它们必须很薄，以允许Li+离子在阳极和阴极之间快速移动，但隔膜的结构完整性很重要，因为它的降解可能导致内部短路。

热分析用于表征隔膜的热性能，这类隔膜通常由聚烯烃（例如PP或PE）制成。这种膜的技术局限性包括抗穿透性、收缩性和熔化性。这些特性可以通过热重法（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和热机械分析（TMA）来研究。

电解质
差示扫描量热法（DSC）可用于QC研究电解液中碳酸盐的组成和含量，对锂离子电池的循环稳定性、能量密度和安全性具有重要意义。DSC 还提供有关电解质熔化和结晶的信息，以确定充电/放电过程的最低温度。