鋰離子電池己經(jīng)是便攜式電子設備的電源，隨著鋰離子電池在日常生活中的普及，它也受到電動汽車、混合動力汽車及儲能產(chǎn)業(yè)的廣泛關(guān)注，并獲得了一定的應用。但是，安全性仍然是制約鋰離子電池在大型能源利用領域普及應用的主要問題之一。

鋰離子電池在受到過熱、短路、擠壓或過度充放電時，會在熱行為、電化學行為上表現(xiàn)出一系列副反應，這些副反應的產(chǎn)熱會引起電池溫度升高，溫度升高進而引起一系列變化，這些變化會促進溫度繼續(xù)升高，最終導致破壞性的后果，該行為被稱為熱失控。這些副反應發(fā)生在電池材料之間，為了研究這些電池熱失控的原因及電池材料的熱穩(wěn)定性，研究者通常會借助熱分析儀器。

單一物質(zhì)的熱行為可能是比較簡單、易于被熱分析儀器分析，但是很多物質(zhì)構(gòu)成的共存體系，它的熱行為會非常復雜，難于細致深入研究。對于一個真實的鋰離子全電池，除了電池殼等外部包裝外，它至少由五種物質(zhì)構(gòu)成：正極物質(zhì)、由鋰鹽和溶劑構(gòu)成的電解液、隔膜以及負極物質(zhì)。由于隔膜多為聚合物（如聚乙稀、聚丙稀或者二者復合物，在高溫下，隔膜會發(fā)生融化。隨著融化過程的完成，正極與負極物質(zhì)會互相接觸彼此，隨之發(fā)生的短路會放出大量熱，引發(fā)電池內(nèi)部其它材料間復雜的熱反應，這些熱反應比發(fā)生在半電池或簡單的電池材料共存體系中的熱反應可能更為復雜，且不可控。多種物質(zhì)組成的鋰離子電池在進行熱分析時，很容易有重疊峰的情況出現(xiàn)。

那么如何研究全電池的熱行為，采用什么儀器去研究電池的熱行為？如何更方便的分析電池的熱行為？這些都是需要去解決的問題。

本文使用NETZSCH模塊化量熱儀MMC-HTCC對商用電池進行了熱穩(wěn)定性評估，同時結(jié)合Proteus 8.0軟件對測試結(jié)果進行了分峰處理，讓得到的測試結(jié)果更加清晰。

高溫紐扣電池模塊（HTCC）是耐馳多模式量熱儀MMC 274 Nexus® 的可選量熱模塊之一，專用于紐扣電池的研究。其原理類似DSC的差示掃描原理，使用垂直結(jié)構(gòu)的差示熱流傳感器、以空白紐扣電池作為參比，在均一爐體中進行升溫掃描或等溫測試。同時MMC-HTCC的爐體為3D絕熱設計，在等溫量熱過程中爐體與樣品之間維持絕熱無溫差狀態(tài)，確保了對微弱熱流的靈敏而準確的捕捉。

圖1 MMC-HTCC儀器

圖2 MMC-HTCC樣品安裝圖

樣品類型：CR2032

溫度區(qū)間：100-300℃

升溫速率：1K/min

測試模式：線性升溫

圖3 PI膜包裹樣品

圖3是PI膜包裹商用紐扣電池圖，商用紐扣電池在高溫時會發(fā)生泄露，污染儀器。使用PI膜包裹電池可以有效的防止泄漏物滴落在儀器內(nèi)部，污染儀器。

圖4 商用電池MMC-HTCC測試譜圖

圖4是商用電池的MMC-HTCC的測試譜圖，從圖中可以看到該電池的吸放熱過程，表面上看此過程由2個吸熱峰和4個放熱峰組成。由于182℃的吸熱峰將放熱峰進行了分割，其他峰也出現(xiàn)不同程度的重疊。

全電池體系測試得到的熱流曲線非常復雜，多個放熱峰、吸熱峰之間互相疊加、結(jié)合在一起，很難對單個的熱反應進行熱、動力學分析。Proteus 8.0 版及更高版本的軟件已將峰分離功能集成到 Proteus 軟件中，熱失控反應對應的重疊結(jié)合的熱流峰被分成一些清晰的、單個的峰。下圖為Proteus 8.0 軟件對上述商用電池測試進行分峰后的結(jié)果。

圖5 商用電池MMC-HTCC測試分峰后的譜圖

圖5 是商用電池經(jīng)過MMC-HTCC測試分峰后的譜圖，可以清晰看到軟件將測試譜圖分為5個峰。圖中峰值為164.4的峰是由隔膜的熔融吸熱引起的；峰值181.9的吸熱峰是Li熔融產(chǎn)生的；隨著溫度的升高，在峰值為192℃，出現(xiàn)了一個很大的放熱峰，這是由于LixCoO2熱分解以及釋氧與溶劑間的反應引起的；峰值為211℃的峰是由負極中嵌鋰與有機溶劑的熱反應引起的；溫度繼續(xù)增高，峰值在241.8℃處的放熱是電解液熱分解產(chǎn)物的氧化過程。

MMC-HTCC是一種測試紐扣電池熱穩(wěn)定性的儀器，可以準確得到樣品的放熱溫度區(qū)間，放熱量，面對重疊峰，不需要繁瑣的操作過程，可以通過強大的Proteus 8.0軟件，對測試結(jié)果進行分峰處理。

作者

劉少博

耐馳儀器公司應用實驗室