热分析如何解决锂离子电池和燃料电池制造中的材料分析挑战

锂离子电池（LIBs）和氢燃料电池（HFCs）正推动向更清洁能源的转变，为从电动汽车到工业应用的各领域提供电力。这些技术对于提供可持续电力至关重要。预计全球对电池的需求将激增。2020年，全球电池储存的能量能够为1.85亿个家庭提供一小时的电力。而到2030年，该数字预计将增长到超过20亿个家庭，即增长10倍以上。个人汽车、商用卡车和公共交通对能源储存的需求不断增加，推动了全球电池需求的激增，从而使电池材料的研发变得比以往任何时候都更为重要。

尽管已经取得一些进步，但锂离子电池和燃料电池技术仍面临挑战。这些挑战包括安全性和可靠性问题、可持续性问题、原材料的提取、续航能力有限以及充电时间过长。目前的重点是开发新型材料配置，以应对更高的电荷密度，提供更高的热稳定性、更高的可持续性以及更实惠的价格。这就意味着下一代电池与燃料电池的研发将迎来巨大发展机遇，到2024年，对电池储能领域的投资将超过500亿美元。

聚焦材料开发

新技术的研发往往需要对现有材料进行细微但关键的改良。例如，研究人员正尝试将多种锂过渡金属氧化物用作电池正极材料，并重点研究其纳米结构并优化制备工艺。

在该领域的诸多研究中，研究人员需要对材料进行细微调整，继而观察这些细微调整如何影响材料的基本性能。这正是热分析（TA）技术发挥关键作用之处。

采用热分析技术分析材料特性

材料热分析涵盖广泛的范畴，通过不同仪器可测量多种特性。例如：

差示扫描量热法（DSC）通过测量热流来测定材料的关键性能参数，包括玻璃化转变、熔融、结晶、热容、结晶度及热稳定性等特性，而这些特性对隔膜和电解质的研发至关重要。
热重分析（TGA）可提供材料在惰性和氧化环境中的水分含量、残留溶剂、特定温度下释放的成分含量以及热稳定性等重要信息，这些信息对电池各部件的研发具有关键指导价值。
同步热重分析（STA）同时结合了差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）技术，可同步测定热流和重量变化，为电池材料的热行为特征提供全面解析。
热机械分析（TMA）测量材料在不同温度下的热膨胀和收缩，这对评估电池隔膜至关重要。
动态热机械分析（DMA）测量材料在不同频率下的粘弹性能，这对电池材料研究至关重要。

这些技术有助于研究人员了解和改进电池材料

电池组件放热行为的差示扫描量热法（DSC）示例

下图阐明了如何使用DSC测量电解液和正极材料的放热行为，从而确定其热稳定性。

使用同步热重分析（STA）和Real View®测试隔膜热稳定性的示例

使用STA对纯聚乙烯隔膜的热稳定性进行测试，结果显示在450°C时发生了一次热分解。由于样品质量较小（0.056 mg），观察到轻微的基线波动。Real View®图像证实，在测量过程中，这些波动是由于材料在样品盘中移动和形状改变而造成的。

通过热机械分析（TMA）观察不同隔膜的热收缩/伸长行为

图示为TMA拉伸模式测得的3种隔膜热收缩/伸长行为的结果。样品隔膜包括：厚度为9μm的纯聚乙烯隔膜A（绿）、在该聚乙烯隔膜上涂覆3μm厚氧化铝涂层的隔膜B（红），以及在相同聚乙烯隔膜上涂覆3μm厚芳纶层的隔膜C（蓝）。

从收缩开始到聚乙烯熔融引发伸长开始期间的收缩率，隔膜A（绿）最大，隔膜B（红）最小。这是因为隔膜A（绿色）仅由聚乙烯单体构成，而隔膜B（红色）的氧化铝涂层抑制了整个隔膜的收缩。此外，隔膜A（绿）和隔膜B（红）在聚乙烯开始熔融后均出现急剧伸长，而隔膜C（蓝）即使在聚乙烯熔融后仍能维持薄膜状态直至更高温度。这是因为聚乙烯基膜达到熔融温度后无法维持形状时，涂覆的耐热性高分子芳纶层仍能使其在更高温度下保持薄膜形态。

材料杂质检查

某些杂质的存在会使研究结果出现偏差，导致结果不一致和材料特性异常。热分析可以显示聚合物样品中是否存在其他材料，由于这些材料的热特性就像指纹一样，因此可以准确地提供其他材料的信息。

结论

电池材料的进步对未来可持续能源的发展至关重要。通过运用热分析技术，制造商能够开发出满足现代应用提出的严苛要求的材料，从而确保安全性、可靠性与高效性。热分析技术能为材料特性提供关键洞察，帮助操作人员优化生产工艺、提升产品质量并降低成本。对先进的热分析工具进行投资不仅能够推动创新，还能让制造商在快速发展的能源领域获得竞争优势。