H.E.L锂离子电池材料研究— BTC-130标准电池绝热量热仪的应用

前言

锂离子电池隔膜是锂离子电池的关键组成部分，其主要功能是隔离正负极以防止短路，同时允许锂离子通过，从而实现电池的充放电过程。随着新能源汽车和储能系统的快速发展，对高性能锂离子电池的需求不断增加，这为锂离子电池隔膜材料的发展带来了巨大的市场机遇。传统的微孔聚烯烃隔膜（如聚乙烯和聚丙烯）虽然具有良好的机械强度和化学稳定性，但存在热稳定性差的问题，容易在高温下收缩，导致电池短路和热失控。因此，开发高性能、高安全性、高热稳定性的隔膜材料成为研究的重点。年来，研究人员开发出了多层复合隔膜以及表面涂覆有陶瓷、聚合物等材料的隔膜，以提高电池的安全性和循环寿命。此外，新型隔膜材料如聚酰亚胺气凝胶隔膜、芳纶聚合物隔膜等也逐渐被探索和应用。发更经济、高效的隔膜材料，有助于降低锂离子电池的生产成本，使其在更广泛的市场中具有竞争力。

案例：带有超薄Al₂O₃涂层聚乙烯隔膜的高性能、高安全的锂离子电池研究

背景:锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、稳定的循环性能和快速充放电能力，在电动汽车和消费电子领域得到了广泛应用。然而，随着LIBs应用的增加，其安全性问题日益凸显，尤其是热失控问题。隔膜在LIBs中起到分隔正负极、允许锂离子通过的作用，其热稳定性对电池安全性至关重要。传统的聚烯烃微孔隔膜（如PE隔膜）虽然具有良好的机械性能和化学稳定性，但热稳定性较差，容易在高温下收缩或熔化，导致电池短路和热失控。因此，开发性能更好的隔膜对于提高LIBs的安全性具有重要意义。

研究方法：通过原子层沉积（ALD）技术在7微米厚的PE隔膜表面精确涂覆了一层约10纳米厚的Al₂O₃层。使用三甲基铝（TMA）和高纯水作为前驱体，通过交替脉冲方法在PE隔膜上沉积Al₂O₃。通过控制ALD循环次数，制备了不同厚度的Al₂O₃涂层隔膜（PE-50、PE-75和PE-100，分别对应50、75和100个ALD循环）。对隔膜的离子传导性、界面阻抗、电化学性能以及热稳定性进行了评估。

结论：结构特性：通过SEM观察到PE隔膜表面涂覆了均匀的Al₂O₃层，且保留了PE隔膜的微孔网络结构。XPS和ICP测试证实了Al₂O₃的成功涂覆，并且随着ALD循环次数的增加，Al₂O₃含量增加。

机械性能：Al₂O₃ ALD-PE隔膜的拉伸强度显著提高，PE-75隔膜的拉伸强度达到105 MPa，远高于未涂覆的PE隔膜（75

MPa），且具有良好的柔韧性。

物理化学性质：Al₂O₃ ALD-PE隔膜对电解液的润湿性更好，接触角测试显示PE-75隔膜的接触角为9.3度，远小于PE隔膜的33.1度。离子传导性测试表明，PE-75隔膜的离子传导性为2.95×10⁻⁴ S/cm，高于PE隔膜的2.93×10⁻⁴ S/cm。界面阻抗测试显示，PE-75隔膜的界面阻抗为72欧姆，低于PE隔膜的207欧姆。

电化学性能：使用PE-75隔膜的4.5 V LiCoO₂/Li扣式电池展现出更好的初始放电比容量（184.3 mAh/g）和循环保持率（96%），在0.5C下循环300次后，相比PE隔膜的电池（176.8mAh/g；87.7%）性能提升显著。

安全性评估：通过加速量热法（ARC）测试了不同隔膜的热失控行为。结果显示，使用PE-75隔膜的电池在104℃时开始微短路，比PE隔膜的电池（90℃）高，且热失控发生时间比PE隔膜的电池晚约200分钟，表明PE-75隔膜具有更好的安全性。

产品推荐：

热失控实验：使用HEL BTC-130标准电池绝热加速量热仪进行绝热条件下热失控测试：

使用不同隔膜（PE和PE-75）的LiCoO₂/石墨软包电池l所有软包电池在测试前均被充电至100%的荷电状态（SOC）测试结果对比：

使用PE隔膜的电池：T₀为90℃，T₁为90℃，热失控（T₂）在135℃时发生，从测试开始到热失控发生的时间约为200分钟。

使用PE-75隔膜的电池：T₀为104℃，T₁为104℃，热失控（T₂）在135℃时发生，从测试开始到热失控发生的时间约为400分钟。结论：使用PE-75隔膜的电池在热失控测试中表现出了显著的改进。其T₀和T₁温度更高，表明PE-75隔膜具有更好的热稳定性，能够承受更高的温度而不发生微短路。此外，热失控发生的时间比使用PE隔膜的电池晚约200分钟，这表明PE-75隔膜显著提高了电池的安全性，能够有效延缓热失控的发生，为电池的安全使用提供了更长的预警时间。

来源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 Al₂O₃-coated polyethylene separator. Applied Surface Science, 659, 159918. 

关于HEL：

H.E.L——Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，总部设在伦敦，在中国、美国、德国、意大利、印度拥有分公司。全资的赫伊尔商贸（北京）有限公司于 2020年在北京设立。

H.E.L最初是一家过程工艺优化及反应危害评估的专业咨询机构，对研究机构和生产企业承接工艺过程研发项目；同时提供安全咨询，包括事故调查、HAZOP研究、安全设施的设计及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的过程工艺及安全专业咨询机构，同时已经发展成为一家致力于为客户提供专业的过程工艺优化及反应危害评估设备的国际集团企业。

关于绿绵科技

　　2001年成立的北京绿绵科技有限公司(简称：绿绵科技)以体现客户服务价值为宗旨，以专业精神和技能为广大实验室分析工作者提供样品前处理、样品制备及分析、实验数据精确分析和管理的全面解决方案，致力于协助客户提高分析检测的效率和水平。

　　主要代理产品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新机租赁业务/LUMTECH循环制备液相/静音型双频超声清洗/Knauer研发，中试和生产脂质纳米颗粒（LNP)碰撞喷射混合器系统/冰点渗透压仪、液相/超高压液相色谱仪、在线SPE液相色谱仪/法国F-DGSi氮气，超高纯氢气气体发生器，液氮发生器/Cytiva生命科学设备/LabOS实验室运营系统/MassWorks准确质量数测定及分子式识别系统/MsMetrix气质香精香料分析软件/Sin-QuEChERS农残净化柱/制药企业质量回顾性报告系统（QRS)/英国赫伊尔生物反应器，电池绝热量热、催化剂合成。

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