As October ends and Diwali excitement fills the air, there’s a fun and colorful use of powders: the vibrant tradition of rangoli! This art form uses colorful powders to create intricate designs, symbolizing prosperity and welcoming the goddess of wealth and good luck. To achieve those beautiful, detailed designs, the powders need specific rheological properties—and that’s where powder rheology comes in.

Rangoli colors are as vibrant as Diwali itself, each adding joy to the festivities. Creating rangoli designs is a fun experience, especially with a variety of powders. When creating rangoli, you’ve probably noticed that sometimes, even when you get powders from the same factory, some colors flow smoothly while others can be a bit stubborn. This could be due to differences in additives and pigment properties. Differences in flow behavior due to things like additives and pigments are part of what powder rheology can help us understand.

As Diwali approached, we got our hands on five vibrant powders – red, blue, green, yellow, and white – all from the same factory. We thought, “Why not study their powder rheology and see how they behave?” Cool, right? So, we set up a little experiment in our backyard rheology lab using our powder rheology accessory.

锂离子电池 (LIB) 通过结合多种活性和非活性材料的多步骤工艺制造。材料选择和工艺条件可极大影响最终的电池性能。对电极而言尤为如此，电极是影响电池性能的最重要的组件之一。电极质量直接影响到整个电池的能量密度和电化学性能。

电极制造异常复杂，涉及将活性材料、粘合剂和导电添加剂混合为浆料并涂敷到金属集电体上。然后将电极干燥并压延 (压实)。在电极制造过程中，浆料配方需要在储存过程中保持稳定、易于分散且可流动，以产生均匀的涂层。表征浆料以获得最佳配方和工艺是提高整个电池性能的关键一步。

流变是对应力作用下材料的流动性和变形行为的研究，在电极浆料的开发和优化中起到至关重要的作用。如之前的博客中所述，电池电极浆料流变涉及测量粘度、触变行为和屈服应力，这三个关键特性可确保适当的涂层和稳定性。

过去十年中，在电池研究、开发和质量控制领域，已将原位和操作中等温微量热法 (IMC) 用作评估锂离子电池循环期间热流的主要方法。将电池循环至失效可能需要数月的时间，但新兴的诊断测试能够在几周内预测长期行为。

此类新兴诊断方法之一是测量电池在循环过程中的寄生热。Krause 等人 (2012)¹ 概述了将寄生热事件与总热量生成进行分离的程序，以对寄生反应进行量化。然后，可利用寄生反应数据来：

• 判断电池质量
• 协助活性材料配方的研发
• 研究添加剂的影响
• 研究固体电解质界面 (SEI) 的形成和增长
• 协助循环和日历寿命预测模型的制定。

以下研究示例利用 TA Instruments TAM（热活动监测仪）微量热仪评估应用新材料、配方和加工方法的电池的寄生反应。

J. Krause 等人 (2012)¹（来自 3M）和 Jeff Dahn 小组（来自达尔豪斯大学）研究了不同石墨以及电极配方对电池性能的影响。他们是使用 TAM III 测量寄生能量并将其与活性锂损失或库仑效率相关联的早期创新者，“确认寄生能量的来源是锂化电极和电解质之间发生的反应热。”已经证明，他们的方法对研究新材料组合和预测电池寿命是有效的。

先前的工作表明，从石墨锂离子软包电池的电解质中去除碳酸亚乙酯 (EC) 可延长循环寿命和高压运行寿命。S. L. Glazier 等人 (2017)²（来自达尔豪斯大学）通过联用 TAM III 微热量仪和电池循环器测量在高压运行期间的寄生热流，研究了无 EC 电解质的性能。该团队测量了寄生反应的时间和电压依赖性，以表征电池中复杂的内部反应。他们发现，不含 EC 的电解质“在较低电压下产生更高的寄生热流，但在
4.3 V 以上时的表现优于含 EC 的电解质。”此外，不含 EC 的电解质在高压暴露后能够更好地恢复到较低的寄生热流。他们的工作证实，不含 EC 的电解质可提供出色的高性能操作，进一步的研究可帮助改善电池在低电位下的性能，以获得更成功的电池电解质配方。

L. Glazier 等人 (2017)³（来自达尔豪斯大学）还通过测量寄生热流和容量保持率对天然石墨和人造石墨电池进行了比较。事实证明，他们的 TAM III 有助于“了解高压锂离子软包电池中寄生反应的电压和时间依赖性。”他们使用 IMC 在低电压范围内研究寄生反应，以探测电解质在负电极中的反应，然后在高电压范围内进行测试，以探测氧化的正/负相互作用。

结果表明，含足够电解质添加剂负载的天然和人造石墨电极将产生相似量的寄生热，人造石墨产生的热量最少。电解质添加剂负载不足会产生更大的寄生热流，并且在高电压范围内的电化学性能显著恶化。长期循环行为表明，与人造石墨相比，天然石墨电池具有更快的容量衰减速度。该小组提出，在电解质负载不足的情况下，SEI 层很薄，无法有效承受锂化过程中天然石墨颗粒的机械膨胀，并且由于新的 SEI 在暴露表面形成，会导致不可逆膨胀和更大的容量衰减率。

D. Quilty 等人 (2022)⁴ 在研究富镍锂镍锰钴氧化物 (NMC) 阴极电池的研究中也评估了新型锂离子电池材料。NMC 提供了高能量密度，但受到潜在的容量衰减较高的影响，因此必须谨慎限制其容量。要最大限度地提高 NMC 电池的寿命和高容量，需要使用一套工具来测量容量衰减机制，包括操作中 IMC 实验。

C. D. Quilty 等人使用 TAM IV 实时测量（去）锂化过程中的热量，以全面了解了电池退化过程。他们指出，IMC 是一个“强大的非破坏性工具，能够以超高精度捕捉循环电池释放的瞬时热流”，为他们的研究提供了帮助。他们发现，在更高电压下，容量衰减率的增加可能由更大的热能浪费或更低的电化学效率引发。他们的结论为未来的 NMC 阴极优化设定了基准。

预锂化是一种新的锂离子电池化成方法，该方法在电池单元运行之前增加活性锂含量。预锂化可补偿形成循环中的锂损失，如果操作正确完成，有望获得高能量密度和更好的循环性能。然而，对预锂化可能产生的负面影响仍处于研究阶段。

Linghong Zhang 等人 (2022)⁵ 使用 TAM III 评估了预锂化过程和相关的寄生反应。第一个循环期间，预锂化电池产生了额外的寄生反应，但在三个循环后，“在预锂化电池和对照电池中观察到类似的来自寄生事件的热信号，表明预锂化的稳定性，以及可能不存在长期的副作用。”

该研究首次展示了应用等温微量热法评估预锂化，并提供了有关该程序的有前景的结果。他们得出结论，“操作中等温微量热法是表征锂离子电池预锂化应用的有力工具。”未来的研究可继续优化预锂化，监测预锂化添加剂对大规模安全形成电池的影响尤为重要。

上述六项研究均使用到 TAM 微量热仪，这是一款最先进的分析工具，可在受控温度条件下测量样品的热行为。许多研究将 TAM 与恒电位仪或电池循环器配对使用，使它们能够测量电池运行期间的热流，以获得可靠的结果。

新的电池循环器微量热仪解决方案专为这一应用而构建，该方案将 TAM IV 微量热仪与 BioLogic VSP-300 恒电位仪搭配成一个集成系统。现在，各级研究人员和科学家都可以通过无缝系统控制和数据分析来测量操作中的电池热流。

请参阅本应用说明中使用新测试解决方案的实验示例：使用电池循环器微量热仪解决方案测定锂离子电池的寄生功率。

请联系 TA Instruments，与专家讨论您的电池测试。

参考文献

1. Krause, L. J., Jensen, L. D., Dahn, J. R. (2012). Measurement of Parasitic Reactions in Li Ion Cells by Electrochemical Calorimetry. Journal of The Electrochemical Society, 159 No 7.
   https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.021207jes
2. Glazier, S.L., Petibon, R., Xia, J., Dahn, J.R. (2017). Measuring the Parasitic Heat Flow of Lithium Ion Pouch Cells. Journal of The Electrochemical Society, 164 No 4.
   https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0331704jes
3. Glazier, S. L., Li, J., Louli, A. J., Allen, J. P., Dahn, J. R. (2017). An Analysis of Artificial and Natural Graphite in Lithium Ion Pouch Cells Using Ultra-High Precision Coulometry, Isothermal Microcalorimetry, Gas Evolution, Long Term Cycling and Pressure Measurements Journal of The Electrochemical Society, 164 No 14. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0421714jes
4. Quilty, C.D., West, P. J., Li, W., Dunkin, M. R., Wheeler, G. P., Ehrlich, S., Ma, L., Jaye, C., Fischer, D. A., Takeuchi, E. S., Takeuchi, K. J., Bock, D. C., Marschilok, A. C. (2022). Multimodal electrochemistry coupled microcalorimetric and X-ray probing of the capacity fade mechanisms of Nickel rich NMC – progress and outlook. (2022). Physical Chemistry Chemical Physics, 24.
   https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CP/D1CP05254C
5. Zhang, L., Chevrier, V. L., Gionet, P., Hung, J., Wu, L., Chen, X., Yu, T., Williams, S., Krause, L. (2022). Isothermal Microcalorimetry Evaluation of In Situ Prelithiation in Lithium-ion Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 169.
   https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/aca366

消费者兴趣和可持续性发展目标导致对电动汽车的需求飙升。美国的目标是，到 2030 年时电动汽车销量占总市场的 50%，但 99% 的电动汽车电池的原材料和零部件材料均在国外生产。^{1, 2} 采购外国制造的材料和电池已经给该行业带来了挑战。2022 年 3 月，由于俄罗斯入侵乌克兰，电池的主要原料镍的价格暴涨。³

电动汽车制造商对短期内实现全球贸易稳定并不乐观。大众汽车奥迪部门首席执行官 Markus Duesmann 在接受《纽约时报》采访时表示，“在未来几年内，原材料都将是一个问题。” ⁴

美国政府已为支持新型方法做好准备，以实现可持续性国内电池供应。一项 2022 年两党基础设施法案拨款超过 70 亿美元，以帮助创建成本更低、中断更少、产速更快的美国电池供应链。⁵

现在，国内电池生产的未来掌握在电池研究人员和制造商的手中。电动汽车电池行业正采用新技术和新工艺来完成看似不可能完成的任务：在不依赖外国贸易的情况下制造可靠的电池。以下是领先的电动汽车电池制造商已推行的可持续性国内电池生产的方式，以及分析技术在这一进程中发挥的关键作用。

为规避供应链问题以及降低成本，顶级电动汽车原始设备制造商（OEM）正在转向生产自己的电池。通用汽车研发部电池系统研究总监 Mei Cai 博士在佛罗里达州奥兰多举行的 “2022 年国际电池研讨会和展览会 (the International Battery Seminar and Exhibit 2022)”上介绍了通用汽车 (GM) 在电池制造方面的工作。

Cai 博士解释说：“通用汽车内部电池研发的重中之重是能量密度，即电池可以以轻便的形式储存多少能量。” 提高能量密度会降低成本。该团队正在探索固体锂阳极和固体电解质界面膜，以实现最高的能量密度和最低的成本。一旦通用汽车在电池研发方面取得成功，他们计划将电池设计应用于在电动汽车之外的领域并实现盈利。

电池制造商如何在国内生产高性价比、高能量密度电池的竞争中获胜？热分析为有效的材料选择和电池设计提供了重要的数据。通过热分析确保电池在各种条件下的安全性和性能，是创建功能性、革命性电池设计的第一步。流变学可用于优化电池浆料配方，是确保电极制造稳定性和可加工性的关键步骤。

由于对传统锂离子电池材料（锂、钴、镍和石墨）的需求量巨大，电池研究人员正在探索可持续性替代品。Group14 Technologies 和 Sila Nanotechnologies 正在拓展他们在硅基阳极材料方面的工作，该材料具有可超越当前石墨材料的应用潜力。⁶

使用新型电池材料可释放出更为顺畅的国内生产的潜能，同时可提高安全性和性能。研究人员在实际操作条件下使用热分析技术来研究应用创新材料的电池设计。例如，国家可再生能源实验室 (the National Renewable Energy Laboratory) 的 M. C. Schultz 等人使用他们的 TA Instruments DSC 和 TGA 来研究涂层对硅阳极材料的影响。⁷ DSC 和 TGA 常用于电池研究，以验证新材料是否可增强电池的运行和安全性。

当锂离子电池达到使用寿命时，如何避免浪费其宝贵的材料？电池材料短缺可通过重复使用旧电池中的原材料来解决。在国内回收电池是最有效的方法，因为这样做既可以降低排放和运输成本，同时也可以加强国内电池材料供应链。⁸

与任何回收系统一样，将回收材料纳入新产品需要对材料进行彻底的表征。电池内的电化学过程会如何改变材料？它们是否因电池误用或损坏而变形？材料分析技术可帮助电池开发人员确保回收材料可提供必要的热学和物理学特性，以支持新的功能性电池。

尽管需要克服挑战，但也存在巨大的机遇。电动汽车制造商有机会将电池生产掌控在自己手中，因此他们可以克服供应链的不稳定性问题并监督电池生产的方方面面。目前采用新型材料和可回收材料的电池制造商将为未来几十年的生产融入可持续性和可靠性。

任何主要的供应链转变都需要严格的质量控制和测试。正如上面提到的例子，电池材料测试是发展可持续性国内电池生产的关键步骤。从材料选择到电池安全测试，这些技术将成为国内电池设计和制造的支柱。点击此处以了解有关电池材料测试的更多信息，并了解这些技术将如何支持可持续性国内电池生产的未来。

技术的发展日新月异。无论您是升级旧设备还是为您的工作台添加新技术，使用尖端仪器都一定会提高您实验室的效率和成果。新型仪器可提供更可靠的数据和更先进的功能，这对于始终立足于材料创新前沿而言至关重要。

但是，如何在升级仪器以获得最佳投资回报的同时最大限度地减少停机时间呢？以下是可让您无缝且轻松地升级实验室的 4 种方法。

用最新型号的仪器更换服务多年的老旧仪器是改善实验室结果的最简单的方法之一。更好的消息是，您可以用旧仪器换取升级折扣。

2000 年推出的 TA Instruments Q 系列热分析仪彻底革新了测量方法，Discovery 系列以其改进的测量和易用性延续了品牌传统。用户可对其 Q 系列 DSC、TGA、DMA、SDT、TMA 仪器或竞争型号仪器进行以旧换新，以节省购买新的 Discovery 系列热分析仪的费用。Discovery 系列提供无与伦比的灵敏度和准确性，可检测样品中的最小变化，并通过强大的 TRIOS 软件提供革命性的用户体验。点击此处以解更多信息并联系我们以对您的热分析仪进行以旧换新。

同样，您可以对 TA Instruments AR 流变仪或竞争型号仪器进行以旧换新，以节省购买新的 Discovery 混合流变仪的费用。升级到 DHR 实现了卓越的功能改进 – 由于 DHR 优异的扭矩灵敏度，用户可使用更少的样品测量更低的黏度和更小的应力。该仪器的混合功能是游戏规则的改变者：可在一台含集成线性 DMA 的流变仪上进行剪切流变学、黏性/剥离、拉伸黏度测量，以及张力、弯曲和压缩测量。DHR 广泛的功能和配件（包括与许多 AR 配件的兼容性）可为您实验室未来可能需要的任何测量提供保障。联系我们以了解有关流变仪以旧换新的更多信息。

除节省成本外，对您的热分析仪或流变仪进行以旧换新也非常易于操作且回报丰厚：

• 通过承接已有的历史数据和操作程序实现平稳过渡
• 使用新的“无人值守”自动进样器减少瓶颈（可在特定的热分析仪型号上使用）
• 借助专为每个用户级别的易用性而构建的 TRIOS 软件，最大限度地减少操作适应时间
• 通过可靠的结果和更高的准确性提高数据可信度
• 通过新功能和测量选项扩展实验室能力

如今市场上的可充电电池中，锂离子电池占有主导地位许多应用中都有它们的身影，包括消费电子、电动汽车和工业设备。由于近年来锂离子电池的广泛应用，电池技术成为一系列不同研究领域的焦点，这些研究旨在提高电池的寿命、性能和安全性。

其中一个关键的研究领域是电极加工和制造的改进。  具体而言，研究人员一直专注于优化电极制造工艺，包括将活性固体阴极或阳极颗粒与粘合剂、添加剂和溶剂混合，从而形成具有复杂的非牛顿流动特性的浆料。浆料的有效加工很大程度上取决于对浆料流动特性的理解，也称为流变特性。

对于浆料流变学的深入理解可以更好地控制浆料的储存稳定性，防止沉淀、可泵送性和可运输性，并能形成均匀、无缺陷同时重量得以提高的涂层。这些测量有助于简化工艺优化过程，并使研究人员在开发新型材料突破电池材料性能壁垒时能够得出有意义的结构和性能的关系。下面的研究研究重点介绍了领先研究人员如何利用流变学来改善电池材料的开发、处理和加工。

所有的锂离子电池都需要用浆料进行涂布形成正极。现代工业电池制造在正极上使用狭缝式涂布，在这种情况下，狭缝头将光滑、均一的浆料均匀地涂抹在正极上。随着更快更有效的锂离子电池制造需求的增长，橡树岭国家实验室和田纳西大学的研究人员 Hawley 和 Li 试图通过提高温度来降低正极浆料的黏度，从而加快狭缝涂布速度。1 降低浆液粘度可实现最大的涂布速度，并最大限度地减少缺陷，如夹带空气和厚度不一等。该团队使用 TA Instruments 公司的Discovery 混合流变仪 (DHR) ，发现将浆料温度从 25℃ 提高到 75℃，在 60℃ 时黏度降低了 23%，涂布速度可以提高约 14%，这意味着电极生产率提高，同时在长期循环和高倍率放电测试中显示出可比的容量保持率。在 25°C 和 60°C 之间，浆料的屈服应力和平衡储能模量单调增加，从而使活性材料具有更高的抗沉降性。

全固态电池是一种新的电池体系，采用固态电极和固体电解质取代传统的液体或聚合物凝胶电极和电解质。范德比尔特大学机械工程、材料科学以及化学和生物分子工程系的研究人员研究了全固态电池 (ASSBs) 中复合电极的油墨配方。2 复合电极的量产依赖于集合电极固体材料、粘结料和溶剂的油墨的生产。油墨工程包括优化油墨的流变性、聚集行为和稳定性，以实现所需的涂层工艺，从而提高 ASSB 中复合电极的性能。

由 Shen、Dixit、Zaman、Hortance、Rogers 和 Hatzell 组成的范德比尔特团队使用 TA Instruments 公司的 Discovery 混合流变仪来评估溶剂和粘结料的不同组合。他们发现，松油醇溶剂和聚乙烯醇缩丁醛 (PVB) 粘合剂（电池行业不太常见的组合）可以提高固-固界面润湿性和粘附性，同时改善动态表面张力和流变性能，从而改善电极和容量性能。流变学测量帮助他们确定这种理想的组合。流变学对于设计油墨制造过程和确定可行的工艺条件至关重要。

来自蒙特利尔大学化学系的研究人员 Khakani、Verdier、Lepage、Rochefort、Prébé、Aymé-Perrot 和 Dollé、Hutchinson 和 Total SA 采用一种不同的方法，设计一种无溶剂工艺来简化复合锂离子电池电极的制造，这种工艺更具环境可持续性和成本效益。3 他们的干法工艺使用聚合物加工助剂 (PPA) ,避免了基于溶剂的湿电极加工的传统问题。他们的干涂层需要具有足够黏度的均一混合物来均匀地涂覆电极。TA Instruments 公司的 Discovery 混合流变仪 (DHR) 帮助研究人员优化他们的混合物，并确定应用该混合物所需的剪切力范围。他们得到的混合物具有理想的黏弹性，并在全电池测试中被证明是成功的，为更环保和低成本的电池制造铺平了道路。

尽管大多数商用电池使用液态有机电解质，但这些有机溶剂易燃，并不适用于所有应用。目前有研究人为固体聚合物电解质 (SPEs) 是一种更安全的替代品，其可燃性降低，机械性能提高，有助于抑制枝晶的形成。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Brian Jing和Christopher Evans 从具有动态共价交联的聚合物网络中开发了 SPE，提高了电解质的安全性和性能，兼具可持续和可回收性。4 他们开发了聚环氧乙烷（PEO）网络，并研究了 LiTFSI 盐对其转变温度的影响。

成功设计电池材料的其中一个关键点是了解材料在不同温度下的行为。这对基于 PEO 的材料更为重要，因为其模量在加热过程中会大幅下降。Jing 和 Evans 使用 TA Instruments 公司的 Discovery 混合流变仪来确定他们基于 PEO 的 SPE 的模量随温度的变化。他们观察到，虽然材料在更高的温度下变得更软、更易流动，但所产生的材料的剪切模量却大于 1MPa。这是一项重要成就，因为这些材料的高模量可能有助于在电池最终使用温度较高的情况下抑制枝晶形成，同时网络结构的化学属性保证了高导电性。

使用硼酸酯形成动态共价交联也可以在 30 分钟内将电解质溶解在纯水中并回收原料单体。这些电解质在机械损伤后还表现出自修复性，同时保持 95% 以上的导电和机械性能，这进一步巩固了该行业为实现更好的电池可持续性而在可回收和可再加工材料方向发展所做出的努力。

正如这些研究实例所表明的，对锂离子电池的高需求正在全球范围内挑战制造业的极限，使得在材料开发阶段思考工艺优化变得更加重要。随着创新以惊人的速度发展，世界各地的实验室都在努力开发性能和安全性适当平衡的电池。这些例子说明了流变学是科学家设计和高效生产更安全、性能更好的电池的关键技术。他们研究背后的驱动因素–更快的生产过程、更高的安全性、卓越的终端使用性–不会消失。我们不断改进电池生产和产品时，电池科学家可以自信地学习他人的突破，并采用他们的技术。

TA Instruments 很荣幸能够通过我们行业领先的流变仪来支持这些努力，这些流变仪提供了无与伦比的测量精度，同时通过大量附件保持了高度的通用性，并提供了无缝的用户体验。请访问我们的电池材料测试页面，了解更多关于推动未来电池发现的仪器。下载我们的电池测试手册，了解更多关于顶级测试技术的信息并联系我们的专家，了解最适合您实验室的仪器。 

无论您是在使用手机时或是驾驶电动车时（请注意勿同时使用），您可能意识到锂离子电池正在接管能源世界。它为我们的便携式电子产品、重要医疗设备、电动汽车和可再生能源存储提供动力。随着市场的不断扩大，研究人员正在寻找更好的方法，从而使锂离子电池越来越强大、可靠和安全，同时最大限度地减少生产时间和成本。

随着新电池的开发，安全性仍然是最关注的性能，因为锂离子电池有过热的问题，即由于热、电和机械滥用条件下，会导致热失控和燃烧。

热分析技术阐明了热应力对电池材料的影响，帮助科学家开发出更安全且性能更好的电池。  电池热管理系统只是其中一个示例，通过热分析获得的热性能信息可以确保工作温度保持在电池材料可能开始反应的温度以下，从而帮助生产出更安全的电池。

以下应用案例介绍了世界领先的锂离子电池开发实验室如何使用热分析技术中的TGA、DSC和TGA-MS表征技术的来支持其创新产品设计和测试。其创新产品设计和测试。

差示扫描量热法（DSC） 测量样品材料在加热、冷却或等温时吸收或释放的热量。  热流是通过比较样品和参比之间的热流差来确定。  DSC可帮助了解电池材料的热容和相变，如熔点（T_m）、熔融焓和玻璃转化温度（T_g）。

锂离子电池的工作温度范围通常在-20℃至60℃，但力、电或热滥用会导致电池内温度过度升高和降低，从而导致出现热失控这样的灾难性事件。  热失控的热力学和动力学机制的确切性质仍然是一个需要探究的领域。  研究表明，热失控可能始于固体电解质界面（SEI）在80℃至120℃左右的分解。 在逐渐升高的温度下，电池内的其它材料开始发生分解和反应。

来自普渡大学的Zhou等利用TA仪器的DSC建立了一个用于理解和预测热失控的模型。其研究证明电池电极之间的相互作用会引发单节电芯级别的灾难性安全事件。他们富有洞察力的研究使我们更接近了解热失控的机制，并使我们更好地了解电池安全性

热重分析仪(TGA)通过程序控制加热样品，同时用高灵敏度的分析天平测量其质量变化。质量损失表示样品可能存在的分解或汽化现象，而质量增加表示可能发生吸附现象或材料正与环境气氛发生反应。电池开发商采用热重分析仪来量化材料的氧化、热降解和热稳定性。热重分析阐明了电池材料开始降解的温度，助力研究人员选择适当的材料并研究高性能、长寿命的电池。

市面上的锂离子电池采用碳酸酯类有机溶剂。该溶剂的一个缺点是在高温条件下具有易燃性，替代品是基于聚合物和凝胶基的电解质。  Cresce等利用TA 仪器的热重分析仪来对其在水基锂离子电池中的制造友好型丙烯酸酯凝胶电解质系统进行测试。他们发现凝胶在90℃以上时成分才会发生改变。因此他们的电池相较采用LiPF₆的最先进的有机电解质电池更有优势，后者仅在70℃时就会发生分解。Cresce的研究团队通过热重分析技术对凝胶电解质在不同温度下的重量变化的准确测量，从而能够对其电池设计的安全性得出可靠的结论。

Kohlmeyer等采取不同的方法，设计了一种适于高温电池工作的新型电解质和隔膜系统。他们使用TA 仪器的热重分析仪研究隔膜的热稳定性。实验表明，磷酸铁锂/石墨及其膜和电解质系统可在120℃条件下工作，同时具有良好的可循环性，从而大大高于传统锂离子电池的运行温度。他们的突破性研究为未来能够在比以往更高的温度下安全运行的锂离子电池铺平了道路。

上面的例子说明了如何使用DSC和TGA测量电池材料的热曲线，从而大大有助于改善电池材料性能和安全性。科学家们还可将这些方法与逸出气体分析（EGA）的的相关技术结合。电池研究人员可以使用EGA来了解在TGA的加热过程中所产生的气体。

TGA-MS是热重分析（TGA）和质谱（MS）的联用技术，用于测量样品的热稳定性数据，并深入了解逸出气体的化学成分（也可以将GC/MS和FT-IR与TGA进行联用）。其中的一个优点便是只需进行一次简单的TGA实验，不需要额外制备样品。

传统的锂盐（如LiPF₆）在热降解过程中会释放出有毒和危险性气体，如氟化氢（HF）。  传统锂盐的替代品是制造更安全的锂离子电池的一个研究领域。  Paillet 等使用TA仪器的TGA-MS在表征锂离子电池用锂4,5-二氰基-2-（三氟甲基）咪唑（LiTDI）盐方面的能力，并将LiTDI盐与常用的LiPF₆进行对比。  Paillet研究表明，LiTDI与LiPF₆ 相比，其热稳定性显著优于LiTDI（285°C与164°C）。研究表明，从HF释放角度，LiTDI更安全。他们通过在他们的 TGA-MS 研究中将 m/z 19 绘制为温度的函数来实现这一点。 与 LiPF₆ 相比，LiTDI 显示出较少的 HF 生成，同时显示出与 LiPF₆ 相似的功率能力，具有广大的应用场景，并显着提高了安全性。

DSC、TGA和TGA-MS在该发现中起到了关键作用。从详细的电池材料分析到整个电池性能，这些技术能够助力研究人员确定哪些设计在什么样的特定条件下是安全有效的。这些技术都旨在进一步提升锂离子电池的性能，从而提高其在高温下的性能。随着锂离子电池在日常设备和应用中的使用越来越多，这一趋势必将得以延续。

*注：某些参考文献中所用的一些仪器使用了上一代型号。本文中链接的仪器重点介绍了当前一代型号及其测试能力的详细信息。

2021年秋季，第26届联合国气候变迁大会（COP26）在格拉斯哥举行，旨在制定遏制温室气体排放和防止进一步气候变化的协议。第二十六届联合国气候大会在《巴黎协定》的基础上，通过实现二氧化碳（CO2）净零排放，将全球变暖限制在2摄氏度以下。这两项协议将规划政府和各行业如何在未来十年内共同努力减少气候变化。

《格拉斯哥气候公约》中的一项重要协议呼吁各国通过”迅速扩大清洁发电和能源效率措施的部署”，”加速技术的开发、部署和传播，以及政策的通过，向低排放能源系统过渡”。 平衡这种对清洁能源的优先考虑是要求加快 “逐步减少有增无减的煤电并淘汰低效化石燃料补贴”。该公约在联合国气候协议中首次明确提及煤炭和化石燃料。

有许多减少二氧化碳排放的补充战略。气候专家建议，我们可以通过采用可再生能源以及提高运输能源效率来为保护环境做出最大限度地努力。 联合国的经济分析将锂离子电池定位为能源和运输行业中一个强而有力的缓解战略。

虽然锂离子电池本身不产生能量，但它们是加强绿色能源系统的有效存储解决方案。不稳定性是可再生太阳能和风能的一个主要缺陷。锂离子电池可以储存来自这些来源的能量，并平衡能源分配中的差距，从而提高绿色能源的可靠性和最终发电能力。

尽管索尼在1991年首次将锂离子电池用于消费类电子产品，但锂离子电池因其在运输中的绿色动力而日益广为人知。与汽油车相比，由锂离子电池驱动的电动汽车可减少约三分之二的温室气体排放 （前提是发电量来自可再生能源）。

电动汽车也不是唯一采用锂离子电池的车辆 – “电动车、滑板车、汽车、公共汽车、卡车、甚至渡船 “越来越多地使用电池驱动，根据联合国信息，航空和航运也在朝着电力驱动方向发展。虽然城市内的电动公交车和卡车正在日益普遍，但长途、重型电动车仍然遥不可及。锂离子电池未能提供必要的能量密度，无法在长途货运卡车和公共汽车方面与天然气的成本和效率竞争。

电池科学家必须为电动汽车和绿色能源储存对锂离子电池不断增长的需求做好准备。这些领域需要锂离子电池的独特能力，开发者必须考虑这些能力。

电动汽车和运输对电池的需求

哪个因素会使购车者最有可能从汽油转向电动？汽车制造商的共识：运行时间是汽车锂离子电池的最重要因素。如果电动车比燃油车需要更少的充电时间，它们就能在市场上占据主导地位。此外，具有长运行时间的锂离子电池将促进电动巴士、货运卡车和飞机的采用。

安全是电动汽车的另一个主要问题，特别是在通用汽车和特斯拉发生电池起火的故事之后。通用汽车在发生几起火灾后召回了他们的GM 雪佛兰Bolt电池 但他们的问题是质量控制问题，而不是电池设计或性能的内在缺陷。特斯拉申明，他们的电池是完全安全的，美国国家公路交通安全管理局 也同意没有理由担心。循环寿命也是一个首要问题，因为消费者希望他们的电动汽车能像汽油车一样持续使用数年，甚至数十年。因此，电动车电池需要高循环寿命，或具备在性能下降之前多次放电和充电的能力。

动力或快速消耗能量的能力，是普通消费者对电动汽车的次要关注点。司机需要动力来快速加速并避免事故发生，但这种加速不需要过多的锂离子电池电量。然而，赛车是电动车的一个具体例子，需要更高的功率来实现更大的加速度。能量密度也不是消费者对电动车的首要关注点，因为目前的锂离子电池对于普通汽车来说已经足够轻便。能量密度对电动飞机的发展更为重要。同样，成本也不是当前创新的最重要目标。电动汽车的锂离子电池在实现消费者友好的成本方面已经取得了很大的进展。虽然更低的成本将使更多的消费者购买电动车，但电动车生产商更关注电池质量和安全，即使这样会导致更高的价格。

网格能源存储对电池的要求

虽然电动车在锂离子电池方面受到的关注最多，但可再生能源将需要电网存储来平衡电能波动。目前有几种电池技术在考虑之中，但锂离子电池技术是个优选。由于绿色能源存储通常需要电池每天充电和放电，因此循环寿命是该应用最重要的因素。如果没有较长的循环寿命，电网电池的频繁更换就不值得花费财力或人力来安装。其次，锂离子电池必须具备安全性。新能源解决方案需要比其前身更安全，以满足政府和消费者的需求。除了安全性，成本是首要考虑因素。同样，能源生产商正在寻求更好的解决方案，不太可能投资相较于目前的石化燃料成本高得多的设备。

功率、运行时间和能量密度对于绿色能源存储来说并非重要因素。这些电池不需要高功率来快速释放能量 – 稳定的能量流足以维持家庭需求。电池也不需要极长的运行时间，因为它们一般最多只须运行几天，直到太阳能或风能再次提供电力。最后，电池被用于能源工厂时，不需要特别紧凑和能量密度，其要求不同于家庭或便携式设备。能源生产商可以通过组合多个电池来增加储能，而不需要单一的、超密集的电池。

当电池开发者为特定的应用（如消费电子、电动汽车、电网存储）进行优化设计时，他们必须选择能够具有最佳运行时间、循环寿命、功率和能量密度的电池材料，同时还要验证不同条件下的安全性。材料开发和选择的多样性意味着电池开发在很大程度上取决于化学和材料研发。事实上，麻省理工学院（MIT）最近的一项研究得出结论，自该技术诞生以来，锂离子电池成本下降97%，其中50%以上归功于化学和材料研发。因此，材料研发对设计出成功的锂离子电池至关重要，这意味着对构成电池主要部件的材料进行热分析、流变学和分子特性的分析表征，能使电池性能变得更好、更安全。

例如，当你使用笔记本电脑或充电后拿起手机时，你可能已经注意到一个关键的材料特性，即锂离子电池容易发热。这种发热对运行中的电池的警示和冷却需求意味着电池材料需要通过热分析对材料熔点和分解温度等参数进行表征，以便       确保整个电池的性能和安全运行。此外，电池制造涉及到固体颗粒、粘合剂和溶剂的混合物在储存、混合、涂抹和干燥过程中经历一系列的变形过程。流变学是对材料流动和变形情况的研究，帮助研究人员了解电池浆料的形成、储存和制造过程中的颗粒沉降情况。

如果您想了解更多热分析和流变学如何帮助支持电池材料研究的相关信息，请访问TA仪器的电池材料表征网站以了解更多。