锂电池热分析

热分析技术在化学电池行业的应用

焦联联

耐驰科学仪器商贸（上海）有限公司

摘要：

电池是将物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置。在充电时它将电能转换为化学能，并以化学形式储存能量，放电时将化学能转换为电能，以电能形式释放能量。化学电池各个组成部分：如电极、电解质、隔膜、外壳等涉及材料类型众多，为了深入了解电池材料物理化学性质，热分析技术在材料的研究、探讨过程中被研究人员所广泛使用。

关键词：电池、化学电池、热分析

一、化学电池的分类

电池可分为化学电池和物锂电池。

1、化学电池的分类如下：

（1）原电池（一次电池）

电池经过连续放电或间歇放电后，不能用充电的方法使两极的活性物质恢复到初始状态，即反应是不可逆的，因此两极上的活性物质只能利用一次。

原电池的特点是小型，携带方便，但放电电流不大。一般用于仪器及各种电子元器件。

常见的原电池有：

锌锰干电池Zn∣NH4Cl，ZnCl2∣MnO2

碱锰干电池Zn∣KOH∣MnO2

锌银电池Zn∣KOH∣Ag2O

（2）蓄电池（二次电池）

电池工作时，在两极上进行的反应均为可逆反应。因此可用充电的方法使两极活性物质恢复到初始状态，从而获得再生放电的能力。

蓄电池能够充电和放电循环多次。常见的蓄电池有：

铅酸蓄电池Pb∣H2SO4∣PbO2

镉镍蓄电池Cd ∣KOH∣ NiOOH

锌空气电池Zn∣KOH∣O2（空气）

镍氢蓄电池MH∣KOH∣ NiOOH

锂离子电池LiCoO2∣有机电解质∣ C

（3）燃料电池（连续电池）燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须有能量（燃料）输入，才能产出电能。普通蓄电池是一种能量储存装置，必须先将电能储存到电池中，在工作时只能输出电能，在工作时不需要输入能量，也不产生电能，这是燃料电池与普通电池本质的区别。燃料电池是将化学能转变为电能，普通蓄电池也是将化学能转变为电能，这是它们共同之处，但燃料电池在产生电能时，参加反应的反应物质在经过反应后，不断地消耗、不再重复使用，因此，要求不断地输入反应物质。普通蓄电池的活性物质随蓄电池的充电和放电变化，活性物质反复进行可逆性化学变化，活性物质并不消耗。

按电解质划分，燃料电池大致可分为五类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）目前最常用的燃料电池为质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

2、化学电池的基本组成部分

要组成一个电池必须要有以下几个基本组成部分，

（1）电极

电极是电池的核心部分，主要涉及金属(合金)、石墨、活性炭、乙炔黑、或有机碳等(也有用碳化硼等材料)、粘结剂疏水性聚乙烯或聚四氟乙烯等。

（2）电解质

电池的主要组成之一，在电池内部担负着传递正负极之间电荷的作用。

（3）隔膜也叫隔离物

放在电池的正负极之间，其作用是防止正负极活性物质直接接触，造成电池内部短路。除此以外，隔膜还应具有能使电解质中离子通过的能力。由于锂离子电池系列的电解液为有机溶剂体系，因而隔膜材料对有机溶剂耐溶。隔膜双向拉伸强度高，穿刺强度高，收缩率低，表面无静电孔隙率高，孔径分布均匀，电解液浸润性佳，具有较低的闭孔温度和较高的破膜温度。隔膜材料主要有：PP、PE等。

（4）外壳

它是电池的容器，对于电池外壳要求有良好的机械强度，耐振动，耐冲击，耐高低温的变化及电解液的腐蚀。碳性电池的外壳一般是锌，碱性电池外壳一般是钢壳。

二、热分析在化学电池行业的应用

1、隔膜材料PP/PE 热分析测试

测量仪器 NETZSCH

DSC204F1 样品质量 5.41mg

温度范围室温 ... 180℃

升温速率5K/min

气氛氮气（静态）

材料类别热塑性塑料

图1：隔膜材料PP/PE 的DSC测试

隔膜作为电池的组成之一，是特殊形式的隔板。电池隔膜是电池结构中最重要的一部分，它作为电池的正负极之间的隔离板，首先它必须具备良好的电绝缘性，其次由于它在电解液中处于浸湿状态，必须具备良好的耐碱性，并且要有良好的透气性等。因此电池制造商在选择隔膜时多选用在较广的温度范围内（-55℃～85℃）保持电子稳定性、体积稳定性、和化学稳定性，对电子呈高阻，对离子呈低阻，便于气体扩散的尽量薄的隔离板。

隔膜纸除了以上所述的条件外，还应当具有足够的机械强度和韧性，以保证电池在卷绕和极片膨胀时不至于断裂。

从图1中可看出如下特征：在升温过程中，出现两个熔融主峰，第一个熔融峰顶端出现两个熔融峰值，分别为：134.8℃、136.4℃；其熔融热焓为237.7J/g（241.8*98.4%），推测该熔融主峰为材料内部聚乙烯PE的熔融，熔融顶端两个熔融峰值的出现，推测可能为PE内部不同的晶型熔融造成；在161℃附近有一非常微弱的熔融峰，热焓 4.1J/g （241.8*1.6%），推测为材料内部聚丙烯PP的熔融。

－―未完待续