H.E.L 镁离子电池电解液研究—BTC-130 标准电池绝热量热仪

镁离子电池因其高理论比容量（2205 mAh/g）和高体积容量（3832 mAh/cm³）而备受关注。此外，镁作为地壳中第五丰富的元素，成本仅为锂的1/24，且具有较高的闪点，使其在安全性方面具有显著优势。然而，Mg离子电池的发展仍面临一些挑战，如电解液的稳定性、正极材料的性能优化以及电池的循环寿命等。镁离子电池在电动汽车、便携电子设备和大规模储能系统等领域具有广阔的应用前景。通过进一步优化电解液和电极材料，镁离子电池有望在能量密度、循环寿命和安全性方面取得突破，从而推动其商业化应用。

案例：评估和实现更安全的Mg-S电池：电解液的决定性作用

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:高效可逆的能源存储技术对于消费电子、汽车推进和解决绿色电力间歇性至关重要。锂金属阳极虽具有高比容量和低电位，但在循环过程中会形成针状枝晶，影响电化学性能并带来火灾隐患。镁硫电池因其在电镀过程中通常不会形成枝晶而被认为是一种更安全的替代品。镁的闪点高，且在地壳中含量丰富，成本较低，具有较高的理论比容量。

研究方法：

• 电池测试量热法（BTC）：通过模拟电池内部短路引发的热失控过程，研究电池在异常状态下的温度变化和爆炸行为。    

• 电解液选择：研究了三种醚类电解液（DME、DEG和TEG）的性能、安全性和成本。

• 实验设计：通过改变加热速率、硫负载量和电解液混合比例，研究这些因素对电池热失控温度和压力的影响。

实验结果：

• 热失控触发：DME和DEG电池在超过电解液沸点20-45K时触发热失控，对应于电池与环境之间的压力差为70-150kPa。

• 爆炸行为：DME电池在403±4K时爆炸，DEG电池在455±6K时爆炸，而TEG电池由于沸点较高，在测试温度范围内未发生爆炸。

• 性能与安全性权衡：DME电池在性能和成本上具有优势，但安全性需要认真考虑。DEG和TEG电池虽然安全性更高，但性能和成本表现较差。

• 分子结构影响：电解液的链长对电池的整体评估起决定性作用。较短链的电解液具有较低的爆炸温度，但Mg²⁺迁移率较高，导致更好的充放电性能。

结论：

• 电解液蒸汽压是关键：电解液的蒸汽压是决定Mg-S电池安全性的关键因素。通过分子工程设计具有更高分子量或极性的短链分子，可以获得更高的沸点和更低的蒸汽压，从而在提高电池安全性的同时保持或提升电池性能。   

• 性能、安全性和成本的平衡：通过调整电解液的分子结构，可以在性能、安全性和成本之间取得平衡，为Mg-S电池的商业化提供指导。

热失控实验：

• 设备：使用BTC-130 标准电池绝热量热仪进行热失控测试。

• 电池准备：将CR2032型扣式电池用镁箔作为阳极，CMK-3/S复合材料作为阴极，Whatman玻璃纤维作为隔膜，以及准备好的电解液。

• 测试条件：电池被放置在一个受保护的爆炸室内，通过程序化的温度加热，以不同的固定速率加热至523K。电池的温度每5秒测量一次。

• 数据记录：记录电池在加热过程中的温度变化，以及在热失控时的温度跳变（Temperature Jump, TJ）。

实验结果：热失控触发：

• DME电池：在403±4K时爆炸，比电解液沸点高45K，对应的蒸汽压为249±14 kPa。

• DEG电池：在455±6K时爆炸，比电解液沸点高20K，对应的蒸汽压为172±28 kPa。

• TEG电池：由于沸点较高，在测试温度范围内未发生爆炸。

爆炸行为：

• DME电池：在爆炸时，电池完全被破坏，所有六个组件都散落在测试室内。

• DEG电池：在爆炸时，电池基本保持完整，但有一个大裂缝，导致所有DEG电解液蒸发。

• TEG电池：在测试温度限制（523K）内保持完整。

温度跳变（TJ）：

• DME和DEG电池：在爆炸时记录到温度跳变，DME电池在400K时记录到TJ，DEG电池在450K时记录到TJ。

• TEG电池：未记录到TJ，表明TEG电池在测试温度范围内未发生爆炸。

爆炸温度与加热速率的关系：

• DME和DEG电池：无论加热速率如何变化（1 K/min到20 K/min），DME和DEG电池的爆炸温度保持不变，分别为403±4K和455±6K。

• 压力计算：通过蒸汽压方程计算电池在爆炸时的压力，DME电池为249±14 kPa，DEG电池为172±28 kPa。

密封压力的影响：

• DME电池：提高电池的密封压力从0.5 TON到0.75 TON，热失控温度从393K增加到439K。当密封压力进一步增加到1.4 TON时，热失控温度稳定在439K到451K之间。

硫负载的影响：

• DME和DEG电池：硫负载量的变化对爆炸温度没有影响，DME和DEG电池的爆炸温度仍分别为403±4K和455±6K。

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。H.E.L最初是一家过程工艺优化及反应危害评估的专业咨询机构，对研究机构和生产企业承接工艺过程研发项目；同时提供安全咨询，包括事故调查、HAZOP研究、安全设施的设计及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的过程工艺及安全专业咨询机构，同时已经发展成为一家致力于为客户提供专业的过程工艺优化及反应危害评估设备的国际集团企业。关于绿绵科技

　　2001年成立的北京绿绵科技有限公司(简称：绿绵科技)以体现客户服务价值为宗旨，以专业精神和技能为广大实验室分析工作者提供样品前处理、样品制备及分析、实验数据精确分析和管理的全面解决方案，致力于协助客户提高分析检测的效率和水平。

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