鋰離子電池分析指南 |熱分析

用於熱分析的創新分析解決方案可用於測試單個電池元件，如陽極/陰極電極材料、隔膜、電解質等。研究電池熱穩定性、放熱反應和焓的關鍵工具包括差示掃描量熱法（DSC）、熱重法（TGA）、熱機械分析（TMA）和動態力學分析（DMA）。

與熱失控情況相關的風險，例如過熱和可能的爆炸，對於在電動汽車應用中使用鋰離子電池（LIB）尤為重要。電池安全是電池技術在我們日常生活中進一步使用的關鍵組成部分。

本應用指南概述了鋰離子電池技術，並演示了如何將各種熱分析技術用於許多研發和品質控制應用。

提供以下應用程式範例：

LiFePO₄ 正極材料在電解液中的熱穩定性
電解質混合物的表徵
TGA和TMA對微孔隔膜的分析
通過TGA和DSC對PVDF進行品質控制
氧化石墨烯轉化為石墨烯（陽極材料）

電池元件熱分析技術的常見應用

為了從單個實驗中獲取有關降解組分的更多資訊，可以將梅特勒-托利多TGA或TGA/DSC連接到合適的氣體分析系統中。新系統現在可以執行逸出氣體分析（EGA）。TGA可以連接到傅里葉變換紅外光譜、質譜、氣相色譜-質譜或微量氣相色譜-質譜（分別為FTIR光譜、MS、GC/MS;微量氣相色譜（/MS）。

鋰離子電池的基本工作原理

鋰離子電池由正極（陰極）、負極（陽極）和電解液組成。當電池充電時，陰極（通常是鈷酸鋰）被氧化，陽極（通常是石墨）被還原。當電池放電時，情況正好相反。Li+ 離子不參與整個電化學反應並保持其氧化態。它們通過由有機溶劑、鋰鹽和各種添加劑組成的液體電解質擴散在陽極和陰極之間傳播。隔膜確保陽極和陰極保持電隔離，但具有足夠的多孔性，使電解質和Li+離子能夠輕鬆通過。

電極（陽極和陰極）
電極的性能和安全性很大程度上受充電/放電引起的老化和陰極活性材料降解的影響。熱分析技術可精確測量熱容、分解溫度和焓測定，是熱穩定性研究的基本輔助工具。

電池隔膜
鋰離子電池的隔膜對電池性能和壽命以及可靠性和安全性具有至關重要的影響。它們必須很薄，以允許Li+離子在陽極和陰極之間快速移動，但隔膜的結構完整性很重要，因為它的降解可能導致內部短路。

熱分析用於表徵隔膜的熱性能，通常由聚烯烴（例如PP或PE）製成。這種膜的技術局限性包括抗穿透性、收縮性和熔化性。這些特性可以通過熱重法（TGA）、差示掃描量熱法（DSC）和熱機械分析（TMA）來研究。

電解質
差示掃描量熱法（DSC）可用於QC研究電解液中碳酸鹽的組成和含量，對鋰離子電池的迴圈穩定性、能量密度和安全性具有重要意義。DSC 還提供有關電解質熔化和結晶的資訊，以確定充電/放電過程的最低溫度。