H.E.L锂金属电池研究 — BTC-500 大电池绝热加速量热仪的应用

编者荐语：

锂金属电池是当前能源存储领域的研究热点之一，因其具有比传统锂离子电池更高的能量密度而备受关注。本文分享了锂金属电池研究 — BTC-500大电池绝热加速量热仪的应用案例：设计磷腈衍生物电解质基质，使高压锂金属电池能够在极端工作条件下使用。

以下文章来源于HEL Group ，作者H.E.L Group

前言

锂金属电池（Lithium Metal Batteries, LMBs）是当前能源存储领域的研究热点之一，因其具有比传统锂离子电池更高的能量密度而备受关注。随着全球对减少碳排放的关注，电动汽车市场迅速增长。然而，现有的锂离子电池（LIBs）在能量密度上接近理论极限，难以满足长续航电动汽车的需求。锂金属电池（LMBs）因其更高的能量密度，被视为下一代电动汽车电池的有力候选。太阳能和风能等可再生能源的间歇性需要高效的储能系统来平衡供需。锂金属电池的高能量密度和快速充放电能力使其在大规模储能领域具有潜在应用价值。全球电池市场竞争激烈，企业纷纷投入资源研发高性能电池技术，以提升市场竞争力。锂金属电池作为一种潜在的颠覆性技术，吸引了众多企业的关注和投资。

案例：设计磷腈衍生物电解质基质，使高压锂金属电池能够在极端工作条件下使用

背景:锂金属电池因其低氧化还原电位（−3.04 V vs 标准氢电极）和高比容量（3860 mAh/g）被认为是提高锂基电池能量密度的有效途径。尽管锂金属电池具有高能量密度的潜力，但其实际应用受到安全性问题的限制。锂金属在充电过程中容易生成树突，导致低库仑效率和安全隐患（如内部短路）。此外，现有的醚基电解质虽然与锂金属兼容性好，但存在易燃性和氧化稳定性不足的问题，限制了其在高电压下的应用。

研究方法：通过引入氟化共溶剂和聚合处理，设计出一种新的电解质基质，以提高锂金属电池的安全性和性能。确保电池在极端条件下（如高温和高压）仍能保持良好的循环性能和安全性。研究通过优化电解质，解决锂金属电池在安全性和寿命方面的挑战，特别是在高能量密度和高电压操作下。

实验结果：电解质设计：

采用氟化醚作为共溶剂，与醚溶剂混合，改善了电解质的氧化稳定性和与高能量阴极的兼容性。

通过聚合磷氟化物单体（BCPN）形成的聚合物基质，显著降低了电解质的易燃性和泄漏风险。

电池性能：

• 使用新设计的电解质的锂金属电池在高电压下表现出优异的循环性能和低温性能。

• 在极端工作条件下（如高压和低温），电池仍能保持稳定的功率输出和高容量保持率。

安全性评估：

• 新电解质系统在燃烧测试中表现出完全不燃烧的特性，且在泄漏测试中没有发现泄漏。

• 通过电化学稳定性测试，NGPE显示出优越的氧化稳定性，能够有效避免电解质的氧化分解。

结论：本文提出的电解质设计策略为高能量密度、耐用且安全的可充电锂电池提供了新的思路，尤其适用于极端工作条件（如航空航天、潜艇和极地设备）。研究结果显示，优化的电解质系统能够有效提升锂金属电池的安全性和性能，推动其在实际应用中的广泛采用。

未来研究方向：

• 进一步评估不同状态下（如荷电状态和健康状态）电池排气气体的爆炸性。

• 进行锂金属电池模块或电池组的热失控传播实验。

• 探索不同触发方式对电池安全性能的影响。

产品推荐：

• 热失控实验：使用HEL BTC-500大电池绝热加速量热仪进行绝热条件下的热失控测试。

• 所有电池样本被充电至100%的荷电状态（SoC），以模拟最危险的状态。记录电池的基本信息，包括型号、容量、电压、尺寸等。

• 准备必要的辅助设备，如温度传感器、电压传感器、数据记录仪等。

• 启动ARC，以设定的加热速率（如5°C/min）将电池加热至初始温度。

• 记录初始温度和电池的电压、电流等参数。

• 分析热失控的特征参数，如自加热温度（T1）、热失控触发温度（T2）、最大温度（Tmax）等。

• 计算热失控过程中的能量释放量和温升速率。

来源:

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.

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。

关于绿绵科技

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