热分析研究为先进的锂离子电池开发提供支持

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。