H.E.L鋰金屬電池研究 — BTC-500 大電池絕熱加速量熱儀的應(yīng)用

編者薦語：

鋰金屬電池是當(dāng)前能源存儲領(lǐng)域的研究熱點之一，因其具有比傳統(tǒng)鋰離子電池更高的能量密度而備受關(guān)注。本文分享了鋰金屬電池研究 — BTC-500大電池絕熱加速量熱儀的應(yīng)用案例：設(shè)計磷腈衍生物電解質(zhì)基質(zhì)，使高壓鋰金屬電池能夠在極端工作條件下使用。

以下文章來源于HEL Group ，作者H.E.L Group

前言

鋰金屬電池（Lithium Metal Batteries, LMBs）是當(dāng)前能源存儲領(lǐng)域的研究熱點之一，因其具有比傳統(tǒng)鋰離子電池更高的能量密度而備受關(guān)注。隨著全球?qū)p少碳排放的關(guān)注，電動汽車市場迅速增長。然而，現(xiàn)有的鋰離子電池（LIBs）在能量密度上接近理論極限，難以滿足長續(xù)航電動汽車的需求。鋰金屬電池（LMBs）因其更高的能量密度，被視為下一代電動汽車電池的有力候選。太陽能和風(fēng)能等可再生能源的間歇性需要高效的儲能系統(tǒng)來平衡供需。鋰金屬電池的高能量密度和快速充放電能力使其在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。全球電池市場競爭激烈，企業(yè)紛紛投入資源研發(fā)高性能電池技術(shù)，以提升市場競爭力。鋰金屬電池作為一種潛在的顛覆性技術(shù)，吸引了眾多企業(yè)的關(guān)注和投資。

案例：設(shè)計磷腈衍生物電解質(zhì)基質(zhì)，使高壓鋰金屬電池能夠在極端工作條件下使用

背景:鋰金屬電池因其低氧化還原電位（?3.04 V vs 標準氫電極）和高比容量（3860 mAh/g）被認為是提高鋰基電池能量密度的有效途徑。盡管鋰金屬電池具有高能量密度的潛力，但其實際應(yīng)用受到安全性問題的限制。鋰金屬在充電過程中容易生成樹突，導(dǎo)致低庫侖效率和安全隱患（如內(nèi)部短路）。此外，現(xiàn)有的醚基電解質(zhì)雖然與鋰金屬兼容性好，但存在易燃性和氧化穩(wěn)定性不足的問題，限制了其在高電壓下的應(yīng)用。

研究方法：通過引入氟化共溶劑和聚合處理，設(shè)計出一種新的電解質(zhì)基質(zhì)，以提高鋰金屬電池的安全性和性能。確保電池在極端條件下（如高溫和高壓）仍能保持良好的循環(huán)性能和安全性。研究通過優(yōu)化電解質(zhì)，解決鋰金屬電池在安全性和壽命方面的挑戰(zhàn)，特別是在高能量密度和高電壓操作下。

實驗結(jié)果：電解質(zhì)設(shè)計：

采用氟化醚作為共溶劑，與醚溶劑混合，改善了電解質(zhì)的氧化穩(wěn)定性和與高能量陰極的兼容性。

通過聚合磷氟化物單體（BCPN）形成的聚合物基質(zhì)，顯著降低了電解質(zhì)的易燃性和泄漏風(fēng)險。

電池性能：

• 使用新設(shè)計的電解質(zhì)的鋰金屬電池在高電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和低溫性能。

• 在極端工作條件下（如高壓和低溫），電池仍能保持穩(wěn)定的功率輸出和高容量保持率。

安全性評估：

• 新電解質(zhì)系統(tǒng)在燃燒測試中表現(xiàn)出完全不燃燒的特性，且在泄漏測試中沒有發(fā)現(xiàn)泄漏。

• 通過電化學(xué)穩(wěn)定性測試，NGPE顯示出優(yōu)越的氧化穩(wěn)定性，能夠有效避免電解質(zhì)的氧化分解。

結(jié)論：本文提出的電解質(zhì)設(shè)計策略為高能量密度、耐用且安全的可充電鋰電池提供了新的思路，尤其適用于極端工作條件（如航空航天、潛艇和極地設(shè)備）。研究結(jié)果顯示，優(yōu)化的電解質(zhì)系統(tǒng)能夠有效提升鋰金屬電池的安全性和性能，推動其在實際應(yīng)用中的廣泛采用。

未來研究方向：

• 進一步評估不同狀態(tài)下（如荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)）電池排氣氣體的爆炸性。

• 進行鋰金屬電池模塊或電池組的熱失控傳播實驗。

• 探索不同觸發(fā)方式對電池安全性能的影響。

產(chǎn)品推薦：

• 熱失控實驗：使用HEL BTC-500大電池絕熱加速量熱儀進行絕熱條件下的熱失控測試。

• 所有電池樣本被充電至100%的荷電狀態(tài)（SoC），以模擬最危險的狀態(tài)。記錄電池的基本信息，包括型號、容量、電壓、尺寸等。

• 準備必要的輔助設(shè)備，如溫度傳感器、電壓傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀等。

• 啟動ARC，以設(shè)定的加熱速率（如5°C/min）將電池加熱至初始溫度。

• 記錄初始溫度和電池的電壓、電流等參數(shù)。

• 分析熱失控的特征參數(shù)，如自加熱溫度（T1）、熱失控觸發(fā)溫度（T2）、最大溫度（Tmax）等。

• 計算熱失控過程中的能量釋放量和溫升速率。

來源:

Meng, Y., Zhou, D., Liu, R., Tian, Y., Gao, Y., Wang, Y., Sun, B., Kang, F., Armand, M., Li, B., Wang, G., & Aurbach, D. (2023). Designing phosphazene-derivative electrolyte matrices to enable high-voltage lithium metal batteries for extreme working conditions. Nature Energy, 8, 1023–1033.

關(guān)于HEL：

H.E.L——Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，總部設(shè)在倫敦，在中國、美國、德國、意大利、印度擁有分公司。全資的赫伊爾商貿(mào)（北京）有限公司于 2020年在北京設(shè)立。

關(guān)于綠綿科技

　　2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務(wù)價值為宗旨，以專業(yè)精神和技能為廣大實驗室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析、實驗數(shù)據(jù)精確分析和管理的全面解決方案，致力于協(xié)助客戶提高分析檢測的效率和水平。

　　主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機租賃業(yè)務(wù)/LUMTECH循環(huán)制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發(fā)，中試和生產(chǎn)脂質(zhì)納米顆粒（LNP)碰撞噴射混合器系統(tǒng)/冰點滲透壓儀、液相/超高壓液相色譜儀、在線SPE液相色譜儀/法國F-DGSi氮氣，超高純氫氣氣體發(fā)生器，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學(xué)設(shè)備/LabOS實驗室運營系統(tǒng)/MassWorks準確質(zhì)量數(shù)測定及分子式識別系統(tǒng)/MsMetrix氣質(zhì)香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農(nóng)殘凈化柱/制藥企業(yè)質(zhì)量回顧性報告系統(tǒng)（QRS)/英國赫伊爾生物反應(yīng)器，電池絕熱量熱、催化劑合成。

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