H.E.L 鎂離子電池電解液研究—BTC-130 標準電池絕熱量熱儀

鎂離子電池因其高理論比容量（2205 mAh/g）和高體積容量（3832 mAh/cm3）而備受關注。此外，鎂作為地殼中第五豐富的元素，成本僅為鋰的1/24，且具有較高的閃點，使其在安全性方面具有顯著優(yōu)勢。然而，Mg離子電池的發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)，如電解液的穩(wěn)定性、正極材料的性能優(yōu)化以及電池的循環(huán)壽命等。鎂離子電池在電動汽車、便攜電子設備和大規(guī)模儲能系統(tǒng)等領域具有廣闊的應用前景。通過進一步優(yōu)化電解液和電極材料，鎂離子電池有望在能量密度、循環(huán)壽命和安全性方面取得突破，從而推動其商業(yè)化應用。

案例：評估和實現(xiàn)更安全的Mg-S電池：電解液的決定性作用

Sheng, L., Hao, Z., Feng, J., Du, W., Gong, M., Kang, L., Shearing, P. R., Brett, D. J. L., Huang, Y., & Wang, F. R. (2021). Evaluation and realization of safer Mg-S battery: The decisive role of the electrolyte. Nano Energy, 83, 105832. 

背景:高效可逆的能源存儲技術對于消費電子、汽車推進和解決綠色電力間歇性至關重要。鋰金屬陽極雖具有高比容量和低電位，但在循環(huán)過程中會形成針狀枝晶，影響電化學性能并帶來火災隱患。鎂硫電池因其在電鍍過程中通常不會形成枝晶而被認為是一種更安全的替代品。鎂的閃點高，且在地殼中含量豐富，成本較低，具有較高的理論比容量。

研究方法：

• 電池測試量熱法（BTC）：通過模擬電池內部短路引發(fā)的熱失控過程，研究電池在異常狀態(tài)下的溫度變化和爆炸行為。    

• 電解液選擇：研究了三種醚類電解液（DME、DEG和TEG）的性能、安全性和成本。

• 實驗設計：通過改變加熱速率、硫負載量和電解液混合比例，研究這些因素對電池熱失控溫度和壓力的影響。

實驗結果：

• 熱失控觸發(fā)：DME和DEG電池在超過電解液沸點20-45K時觸發(fā)熱失控，對應于電池與環(huán)境之間的壓力差為70-150kPa。

• 爆炸行為：DME電池在403±4K時爆炸，DEG電池在455±6K時爆炸，而TEG電池由于沸點較高，在測試溫度范圍內未發(fā)生爆炸。

• 性能與安全性權衡：DME電池在性能和成本上具有優(yōu)勢，但安全性需要認真考慮。DEG和TEG電池雖然安全性更高，但性能和成本表現(xiàn)較差。

• 分子結構影響：電解液的鏈長對電池的整體評估起決定性作用。較短鏈的電解液具有較低的爆炸溫度，但Mg2?遷移率較高，導致更好的充放電性能。

結論：

• 電解液蒸汽壓是關鍵：電解液的蒸汽壓是決定Mg-S電池安全性的關鍵因素。通過分子工程設計具有更高分子量或極性的短鏈分子，可以獲得更高的沸點和更低的蒸汽壓，從而在提高電池安全性的同時保持或提升電池性能。   

• 性能、安全性和成本的平衡：通過調整電解液的分子結構，可以在性能、安全性和成本之間取得平衡，為Mg-S電池的商業(yè)化提供指導。

熱失控實驗：

• 設備：使用BTC-130 標準電池絕熱量熱儀進行熱失控測試。

• 電池準備：將CR2032型扣式電池用鎂箔作為陽極，CMK-3/S復合材料作為陰極，Whatman玻璃纖維作為隔膜，以及準備好的電解液。

• 測試條件：電池被放置在一個受保護的爆炸室內，通過程序化的溫度加熱，以不同的固定速率加熱至523K。電池的溫度每5秒測量一次。

• 數(shù)據記錄：記錄電池在加熱過程中的溫度變化，以及在熱失控時的溫度跳變（Temperature Jump, TJ）。

實驗結果：熱失控觸發(fā)：

• DME電池：在403±4K時爆炸，比電解液沸點高45K，對應的蒸汽壓為249±14 kPa。

• DEG電池：在455±6K時爆炸，比電解液沸點高20K，對應的蒸汽壓為172±28 kPa。

• TEG電池：由于沸點較高，在測試溫度范圍內未發(fā)生爆炸。

爆炸行為：

• DME電池：在爆炸時，電池完全被破壞，所有六個組件都散落在測試室內。

• DEG電池：在爆炸時，電池基本保持完整，但有一個大裂縫，導致所有DEG電解液蒸發(fā)。

• TEG電池：在測試溫度限制（523K）內保持完整。

溫度跳變（TJ）：

• DME和DEG電池：在爆炸時記錄到溫度跳變，DME電池在400K時記錄到TJ，DEG電池在450K時記錄到TJ。

• TEG電池：未記錄到TJ，表明TEG電池在測試溫度范圍內未發(fā)生爆炸。

爆炸溫度與加熱速率的關系：

• DME和DEG電池：無論加熱速率如何變化（1 K/min到20 K/min），DME和DEG電池的爆炸溫度保持不變，分別為403±4K和455±6K。

• 壓力計算：通過蒸汽壓方程計算電池在爆炸時的壓力，DME電池為249±14 kPa，DEG電池為172±28 kPa。

密封壓力的影響：

• DME電池：提高電池的密封壓力從0.5 TON到0.75 TON，熱失控溫度從393K增加到439K。當密封壓力進一步增加到1.4 TON時，熱失控溫度穩(wěn)定在439K到451K之間。

硫負載的影響：

• DME和DEG電池：硫負載量的變化對爆炸溫度沒有影響，DME和DEG電池的爆炸溫度仍分別為403±4K和455±6K。

Hazard Evaluation Laboratories 

成立于1987年，總部設在倫敦，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（北京）有限公司于 2020年在北京設立。H.E.L最初是一家過程工藝優(yōu)化及反應危害評估的專業(yè)咨詢機構，對研究機構和生產企業(yè)承接工藝過程研發(fā)項目；同時提供安全咨詢，包括事故調查、HAZOP研究、安全設施的設計及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業(yè)咨詢機構，同時已經發(fā)展成為一家致力于為客戶提供專業(yè)的過程工藝優(yōu)化及反應危害評估設備的國際集團企業(yè)。關于綠綿科技

　　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。

　　主要代理產品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機租賃業(yè)務/LUMTECH循環(huán)制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發(fā)，中試和生產脂質納米顆粒（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生命科學設備/LabOS實驗室運營系統(tǒng)/MassWorks準確質量數(shù)測定及分子式識別系統(tǒng)/MsMetrix氣質香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農殘凈化柱/制藥企業(yè)質量回顧性報告系統(tǒng)（QRS)/英國赫伊爾生物反應器，電池絕熱量熱、催化劑合成。

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