H.E.L鋰金屬電池研究 — BTC-500 大電池絕熱加速量熱儀的應用

編者薦語：

鋰金屬電池是當前能源存儲領域的研究熱點之一，因其具有比傳統鋰離子電池更高的能量密度而備受關注。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用案例：設計磷腈衍生物電解質基質，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）是當前能源存儲領域的研究熱點之一，因其具有比傳統鋰離子電池更高的能量密度而備受關注。隨著全球對減少碳排放的關注，電動汽車市場迅速增長。然而，現有的鋰離子電池（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。太陽能和風能等可再生能源的間歇性需要高效的儲能系統來平衡供需。鋰金屬電池的高能量密度和快速充放電能力使其在大規模儲能領域具有潛在應用價值。全球電池市場競爭激烈，企業紛紛投入資源研發高性能電池技術，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，吸引了眾多企業的關注和投資。

案例：設計磷腈衍生物電解質基質，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，導致低庫侖效率和安全隱患（如內部短路）。此外，現有的醚基電解質雖然與鋰金屬兼容性好，但存在易燃性和氧化穩定性不足的問題，限制了其在高電壓下的應用。

研究方法：通過引入氟化共溶劑和聚合處理，設計出一種新的電解質基質，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性能和安全性。研究通過優化電解質，解決鋰金屬電池在安全性和壽命方面的挑戰，特別是在高能量密度和高電壓操作下。

實驗結果：電解質設計：

采用氟化醚作為共溶劑，與醚溶劑混合，改善了電解質的氧化穩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，顯著降低了電解質的易燃性和泄漏風險。

電池性能：

• 使用新設計的電解質的鋰金屬電池在高電壓下表現出優異的循環性能和低溫性能。

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

安全性評估：

• 新電解質系統在燃燒測試中表現出完全不燃燒的特性，且在泄漏測試中沒有發現泄漏。

• 通過電化學穩定性測試，NGPE顯示出優越的氧化穩定性，能夠有效避免電解質的氧化分解。

結論：本文提出的電解質設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、潛艇和極地設備）。研究結果顯示，優化的電解質系統能夠有效提升鋰金屬電池的安全性和性能，推動其在實際應用中的廣泛采用。

未來研究方向：

• 進一步評估不同狀態下（如荷電狀態和健康狀態）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。

• 探索不同觸發方式對電池安全性能的影響。

產品推薦：

• 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（SoC），以模擬最危險的狀態。記錄電池的基本信息，包括型號、容量、電壓、尺寸等。

• 準備必要的輔助設備，如溫度傳感器、電壓傳感器、數據記錄儀等。

• 啟動ARC，以設定的加熱速率（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。

• 分析熱失控的特征參數，如自加熱溫度（T1）、熱失控觸發溫度（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.

關于HEL：

H.E.L——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。

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