电池电解液

1. 前言随着全球工业化的进展，能源需求的增长，研究高性能的储能装置受到相关领域的广泛关注，锂离子电池是目前综合性能优异的电池体系。锂离子电池属于二次电池，可以充电后，再次使用，常用在电动汽车，手机，便携笔记本电脑中，属于绿色环保能源。具有体积小，寿命长，高电压，高功率密度，无记忆效应等特点。1.1 锂离子电池工作原理锂离子电池主要通过锂离子的“嵌入/脱出”实现电池能量的存储和释放。过渡金属的嵌锂化合物常用于正极材料，他们的晶格结构对电池的容量至关重要。如以LiCoO2为例，充电过程发生的反应如下：充电时，在外电场作用下，Li+从LiCoO2晶格脱出，穿过电解液隔膜，嵌入石墨负极，电子通过外电路从正极流出，流入负极，正极电压升高，负极电压降低，电池端电压升高，完成充电。放电时，Li+从石墨负极脱出，嵌入LiCoO2正极，电子经外电路从负极流出，对负载做功，流入正极，正极电压降低，负极电压升高，电池端电压降低，实现放电做功。 1.2 锂离子电池电解液正极材料，负极材料，隔膜材料，电解液材料是锂离子电池的四大关键部分。研发电池的关键材料是国内外开发的重点。其中电解液被称为锂离子电池的“血液”，是正负极材料之间传输电子的通道，是获得高功率，高能量密度，长寿命的锂离子电池的保证。电解液通常由纯度高的有机溶剂、锂盐、添加剂等组成。随着锂离子电池不断的充放电过程，电池会出现劣化，其中电解液状态是评价电池劣化的最主要因素之一，也是评价电池劣化的最直观的方法。因此，分析电解液的劣化非常重要。电解液分析的传统方法，如GC / LC-MS、核磁共振、傅里叶红外，这些方法在样品制备和前处理方面，耗时长，操作繁琐。另外，对于电解液中含量较少的成分，传统的方法很难检测出它们的变化差异。而三维荧光结合多变量分析方法，能够以更短的时间、更容易、高灵敏度的检测电解液的变化。客户可以使用三维荧光进行电解液中成分变化的筛选，联合传统分析方法确定变化的具体物质。因此三维荧光提供了一种快速寻找电池劣化的原因，可以有效减少或避免在研发或使用过程产生这种劣化的原因，大幅提高分析效率。 详细的应用数据请点击：https://www.instrument.com.cn/netshow/sh102446/s926995.htm荧光分光光度计F-7100和多变量分析软件3D SpectAlyze日立荧光分光光度计具有超高的扫描速度，无需复杂的样品前处理，能够快速测定样品。另外，日立具有专用多变量分析软件3D SpectAlyze，因此可以提供数据测量和解析一体化，从而获取样品的详细信息。使用荧光分光光度计结合多变量分析软件可以快速评价荧光强度发生变化的体系。

为什么要进行锂电池电解液回收处理？众所周知，锂离子电池是由正极（锂钴氧化物、锂镍氧化物等）、负极（一般为炭素材料）、电解液、隔膜（聚乙烯、聚丙烯等）、粘结剂（聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯）等组成。目前有关废旧锂离子电池处理工艺的研究大多集中在贵重金属方面，例如镍、钴、锰、锂等金属材质因其自身的经济价值被先行深入研究。而电解液成分复杂，尤其是LiPF6 的存在，使得电解液接触高温环境就易发生分解，产生有毒有害物质，因此电解液处置不当会带来严重的安全和环境问题。同时，电解液本身的高附加值也决定需合理回收电解液。电解液组成及性质是什么？在各种商用锂离子电池系统中，液态电解液占主流地位。液态电解液一般由锂盐、有机溶剂、添加剂三部分组成。电解质盐，主要为六氟磷酸锂（LiPF6），其暴露在空气中易反应生成 HF、 LiF、PF5 等对人体有害的物质；有机溶剂主要有碳酸酯类、醚类和羧酸酯类；添加剂作为电解液中非必要成分，主要有碳酸亚乙烯酯、乙酸乙酯等，含量较少。表1：常见电解液的溶剂、溶质及添加剂种类[1]真空精馏方法在电解液回收处理的优势真空精馏法是在高真空环境下利用电解质和溶剂的沸点不同，经过多次冷凝和汽化后将电解质分离出来。在高真空下，精馏主要是为了防止电解液挥发损失。案例分享中海油天津化工研究设计院，周立山等[2]在惰性气体的氛围下拆解电池得到电解液，然后经过精馏装置减压真空精馏，将电解液分为有机溶剂和六氟磷酸锂初级产品，再对这两部分分别进行纯化，使之成为高纯度的产品，其中纯化后的六氟磷酸锂回收率可达 82.7%。天津卡特化工技术有限公司，毛国柱等[3]则另辟蹊径，通过真空精馏的方法，先将有机液体从电解液中分离出来，剩余的电解液通过添加比其多7 倍的硫酸氢钾，在高温下持续煅烧 5 h，然后与饱和 KF 溶液反应得到可以作为产品的 LiF。例如，下图1所示，为乙醇和水的连续分离过程，上升汽流和下降的液流在塔内直接接触，易挥发组分将更多的由液相转移到汽相，而难挥发组分将更多的由汽相转移到液相。这样，塔内上升的汽流中乙醇的浓度将越来越高，而下降的液流中水的浓度会越来越高，只要塔足够高，就能够使塔顶引出的蒸汽中只有乙醇，加热釜引出的溶液只有水。图1：乙醇-水溶液连续精馏流程1-精馏塔；2-冷凝器；3-再沸器同样，利用真空精馏法来回收锂电池电解液，主要有以下优势：● 得到的产物可以达到比较高的纯度，能够用于电池再生产，节约生产成本；● 该过程环保清洁，不易造成二次污染；● 和碱液吸收法、热裂解法、超声萃取法等其他工艺相比较，不会破坏主要成分，锂盐和有机溶剂的回收率相对较高。由以上得知，锂电池电解液成分复杂，混合了锂盐和多种有机试剂等，高温易蒸发，且多为热敏性物质。需通过真空精馏的方式，使用较高的理论塔板数的精馏塔才能将这些成分依次分离，从而达到分类回收的目的，实现资源重复利用的可能性。那么，德国Pilodist同心管精馏柱技术可以给锂电池电解液回收带来什么便利呢？德国Pilodist同心管精馏柱技术同心管精密分馏柱由两根经精巧设计和精密校准的同心管玻璃柱融合而成，垂直上升的蒸气与同心环形间隙中的液体薄膜之间高效传质，使得精密分馏柱具有很高的分离效率。同心管的外圆内壁和内圆外壁均设计成为精密设计的螺旋刮痕形式，使得在冷凝器冷凝的液体通过刮痕可以顺流而下，并形成液膜加大热交换接触面积，直至蒸馏釜。同心管技术具有如下的技术优势：&bull 压力降小&bull 滞留量小&bull 适用于热敏性物质&bull 高分离效率&bull 极少量蒸馏（低至1mL）&bull 极少工作流量而且，Pilodist精馏线产品主要有精密分馏装置PD104/PD105、微型精馏系统HRS500C和溶剂回收装置PD107等，都可以配备同心管精馏柱，特别适合热敏性物质在真空条件下的柔性蒸馏分离提纯。Pilodist HRS 500C实验室微型精馏系统其中，HRS500理论塔板数高达 60 块理论塔板。Pilodist PD 104精密分馏系统Pilodist PD 105精密分馏系统PD104和PD105的理论塔板数高达90块理论塔板数。Pilodist PD 107溶剂回收系统PD107溶剂回收系统，60块理论塔板数。可针对客户不同处理量、不同实验需求等选择不同的仪器配置方案。如果你对上述产品或方案感兴趣，欢迎随时联系德祥科技，可拨打热线400-006-9696。参考文献：[1] 陆剑伟，潘曜灵，郑灵霞，等. 锂离子电池电解液的清洁回收利用及废气治理方法[J].浙江化工. 1006-4184（2021）10-0040-06.[2] 周立山，刘红光，叶学海，等. 一种回收废旧锂离子电池电解液的方法: 201110427431.2[P]. 2012-06-13.[3] 毛国柱，侯长胜，霍爱群，等. 一种回收处理废旧锂电池电解液及电解液废水的处理方 法 : 201310562566.9 [P].PILODIST德国PILODIST是德祥集团资深合作伙伴之一。德国PILODIST公司源自于蒸馏及精馏设备供应商。公司传承原Fischer公司专业的蒸馏及精馏设备制造技术，为全球石油化工、精细化工行业及科研院所客户提供高品质的原油蒸馏系统、精馏系统、溶剂回收系统、汽液相平衡和分子蒸馏等。德祥科技德祥科技有限公司成立于1992年，总部位于中国香港特别行政区，分别在越南、广州、上海、北京设立分公司。主要服务于大中华区和亚太地区——在亚太地区有27个办事处和销售网点，5个维修中心和2个样机实验室。30多年来，德祥一直深耕于科学仪器行业，主营产品有实验室分析仪器、工业检测仪器及过程控制设备，致力于为新老客户提供更完善的解决方案。公司业务包含仪器代理，维修售后，实验室咨询与规划，CRO冻干工艺开发服务以及自主产品研发、生产、销售、售后。与高校、科研院所、政府机构、检验机构及知名企业保持密切合作，服务客户覆盖制药、医疗、商业实验室、工业、环保、石化、食品饮料和电子等各个行业及领域。2009至2021年间，德祥先后荣获了“最具影响力经销商”、“年度最佳代理商“、”年度最高销售奖“等殊荣。我们始终秉承诚信经营的理念，致力于成为优秀的科学仪器供应商，为此我们从未停止前进的脚步。我们始终相信，每一天都在使这个世界变得更美好！

随着科技的飞速发展，电池已经成为我们日常生活中不可或缺的能量储存好帮手！从我们的便携式电子设备，到那些酷炫的电动交通工具，都要靠电池的支持才能动起来。没错，电池可是真正的能量源头呢！然而，要说到电池的性能和稳定性，可真得多亏了电解液，它是电池的核心组件之一！电解液主要由溶剂、导电盐和添加剂组成。溶剂通常是有机溶剂，例如碳酸酯、碳酸酰、醚类等，导电盐则是决定电池电导率的关键因素。添加剂的加入可以调节电解液的性质，如粘度、化学稳定性等，以提高电池的性能。有了优秀的电解液，电池的表现就会更稳定、更强劲。这样一来，我们的电子设备就能续航更久，电动交通工具也能跑得更远。所以说，不管是充电还是输出电能，电解液功不可没啊！然而，电解液的透射性质有时候可能会遇到一些问题哦！比如，如果电解液的透明性不够好，光线就可能被挡住，影响电池内部的能量传输效率，让电池性能变差。另外，电解液对特定波长的光线吸收过多，可能引起化学反应，导致电池不稳定。而且，电解液中溶质的浓度变化也会影响光线透射的特性。那么，我们要如何解决这个透射相关的问题呢？这就需要依靠Ci7x00系列的Ci7800台式分光色差仪与Ci7860精密色差仪来帮忙！这两款仪器可谓是我们的得力助手！Ci7800台式分光色差仪，可以简单快速地测量电解液的透射率，看看它有没有足够的透明性，保证光线能顺利穿过，让电池能高效传导能量。Ci7800色彩色差仪支持多达5个反射孔径和4个透射孔径，可通过不同位置的端口来测量各种样品的色彩与外观。这项功能使得它在许多领域中都得到了广泛应用。此外，Ci7800还支持多达3个UV滤光镜来控制纺织品、塑料、油漆、涂料和纸张中的荧光增白剂。设备内置数码相机具有预览和主动目标定位功能，可保证测量区域的准确定位，并能捕获图像以备日后检索。同时，它还能检测样品上的污点、划痕或缺陷，并提供随附的测量数据以备审计，为质量控制提供了有效支持。如果我们想要更深入的了解电解液的光学特性，这时候Ci7860精密色差仪就派上用场了！它不仅可以测量透射率，还能给我们提供更多数据，包括吸收特性和反射率等等。这样一来，我们就能全方位地了解电解液的性质，发现其中的问题，进而针对性地优化电解液的配方。Ci7860精密色差仪广泛应用于多个工业领域，包括纸张、纺织物、塑料、颜料、汽车以及屏幕色彩校正等。它为这些行业提供了可靠的色彩测量和管理解决方案，帮助企业提高产品质量，降低生产成本，增强市场竞争力。有了这两款色差仪，我们可以轻松解决电解液透射相关的问题！通过优化电解液的性能，我们就能让电池表现得更稳定、更强劲，让我们的电子设备续航更久，电动交通工具跑得更远，让我们的生活更便利、更美好。同时，这些仪器的应用也推动着科技的不断发展，让能源领域取得了更大的进步。随着技术的不断创新和仪器的不断完善，相信电池的未来会变得更加出色！“爱色丽彩通”是丹纳赫公司旗下的品牌，总部位于美国密歇根州，成立于1958年。作为全球领先的色彩趋势、科学和技术公司，爱色丽彩通提供服务和解决方案，帮助品牌、制造商和供应商管理从设计到最终产品的色彩。

概述锂电池与我们生活密切相关，比如手机、ipad、电脑、充电宝、玩具、电动汽车、电动轻型车和新型储能等都有锂电池的身影，锂电池综合优势与下游领域对电池大容量、高功率、使用寿命和环境保护日益提升的需求相契合，存在广阔的市场应用前景。锂离子电池四大关键材料包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液。锂电池的正极材料中，行业已经认可镍钴锂、磷酸铁锂等材料，不过也有许多企业逐渐转入了新型复合材料的研发中，液相色谱串联高分辨质谱仪在该研发过程中，可以在探究新型材料氧化还原反应机理研究、及活性基团位置不同对电化学性能的影响等方面贡献力量。金属锂的高化学活性使其易于与大多数电解质发生不可逆反应，从而在阳极表面形成固体电解质层（SEI）。液相色谱串联高分辨质谱仪可以对SEI膜成分进行结构解析，帮助研究其形成机制，减少其形成。电解液被誉为电池的“血液”，是实现锂离子在正负极迁移的媒介，对锂电容量、工作温度、循环效率以及安全性都有重要影响。所以对电解液体系中的特有成分的鉴定，杂质鉴定，其在不同电极作用，不同循环次数，不同放置时间，不同添加剂等等条件变化下电解液组成的变化，反应机理的研究，这对电池性能研究都具有重要作用。X500R QTOF 系统在锂电池电解液成分分析的应用研究本实验采用X500R QTOF系统的IDA+DBS采集技术对锂电池电解液成分进行快速准确鉴定，仪器标配的ESI源和APCI源可兼顾不同性质的化合物，IDA+DBS采集技术能够保证在有限的时间内采集到的有效信息，一针进样同时获得高分辨一级和二级质谱图，应用SCIEX OS软件对数据分析，为表征电解液提供解决方案。图 1 数据处理流程图流程一：SCIEX OS软件并结合SCIEX高分辨二级谱库的靶向流程SCIEX OS软件可以设定的条件，快速筛选出一级偏差准确，同位素分布合理，二级质谱图匹配得分高的结果，帮助我们快速鉴定化合物。图2 TOF MS和TOF MS/MS谱图流程二：统计学分析得到差异化合物鉴定流程对于不同品牌来源，不同放置时间，不同循环时间的电解液等样本的差异比较，可以采取组学的思路，使用SCIEX OS软件中MarkerView&trade 统计学分析模块进行PCA，T-test等统计学分析，MarkerView&trade 统计学分析模块和Explorer鉴定化合物模块互相链接，无需不同软件间转移，减少格式转化带来的数据丢失。可以将原始数据导入MarkerView&trade 统计分析后得到样本间具有统计学差异的离子后，可以直接查看一级和二级质谱图，进行鉴定分析。图3 MarkerView&trade 统计学界面展示流程三：非靶向流程软件可以设置空白样本，根据设定的峰面积比扣除空白样本中的离子，软件自动将不同加和离子形式和不同电荷数进行分组，增加鉴定准确度并减少重复鉴定的工作量。提取出来的离子会自动给出分子式，链接SCIEX本地数据库或者在线数据库进行检索，根据和二级质谱图匹配的情况，给出得分，同时也可以根据软件自动给出的二级偏差判断碎片归属，二级碎片可以和结构一一对应，有助于我们进行结构解析，分析合理性图4 非靶向流程中部分界面展示小结本实验采用X500R QTOF系统的IDA+DBS采集技术对锂电池电解液成分进行快速准确鉴定，分别使用ESI源和APCI源对样本进行采集，兼顾不同性质的化合物，可以更全面的表征化学成分。IDA+DBS采集技术能够保证在有限的时间内采集到的有效信息，一针进样同时获得高分辨一级和二级质谱图，应用SCIEX OS软件并结合SCIEX高分辨二级谱库的靶向流程简便且准确。对于不同品牌来源，不同放置时间，不同循环时间的电解液等样本的差异比较，可以使用统计学软件找到统计学差异的离子，进行鉴定分析。也可以采用软件自动扣除空白，自动识别离子的不同加和离子形式，电荷形式，结合SCIEX本地数据库或者在线数据库的非靶向流程，是结构鉴定和解析的有力工具，为表征电解液提供了的解决方案。 参考文献 [1]冯东,郝思语,谢于辉,等.锂离子电池电解质研究进展[J].化工新型材料,2023,51(2):35-41.[2]付文婧,汪熙媛,柯伟,等.汽车电动化的重要发展方向——锂电池技术[Z].时代汽车,2023(7):123-125.[3]Ma, Ting, et al. "Functional Polymer Materials for Advanced Lithium Metal Batteries: A Review and Perspective." Polymers 14.17 (2022): 3452.

锂电池的应用十分广泛，如手机、笔记本、电动汽车等已成为生活中不可或缺的产品。随着其在汽车以及电力储藏等领域大型化的应用、对其高性能和安全性要求也越来越高。锂离子电池具有极高的能量密度，这是因为电池中封装了更多活性材料，且电极和隔膜越来越薄、越来越轻。这些均需要电池组成材料之间的完美搭配、若设计不足或者滥用，就会出现热失控现象，导致冒烟、起火甚至爆炸等事故。 因此对锂电池的生产和使用过程中的安全性评价非常重要，下面就让我们用日立DSC7000系列对锂离子充电电池电解液以及正极材料进行安全性评价。 样品处理和容器■ 样品处理的气氛LIB的构成中包含很多反应性高的材料。实际产品被封装在惰性气氛中，因此DSC测定也必须将其密封在惰性气体中进行。（为了避免大气中的水分、氧气、二氧化碳等气氛对样品的影响、样品处理在手套箱中进行。）■ 容器样品分解产生的气体、会污染DSC传感器、可能造成仪器功能损坏，因此需选择密封形的容器。另外测试时容器内部压力增大，故需要选择高耐压值的SUS密封容器。电解液正极材料的热特性的研究■ 电解液电解液的DSC结果如上图所示：样品中溶剂为高介电常数溶剂碳酸乙烯酯（EC）和低粘度溶剂碳酸甲基乙基酯（EMC），电解质为六氟磷酸锂（LiPF6）。在升温过程中，该电解液先熔融再分解，在244℃开始熔融，分解放热峰温度278℃，同时还可以得到其分解放热量。■ 电解液+正极材料这里显示把电解液和正极材料混合密封在容器中的样品的DSC测定结果。正极材料是充电状态的锰酸锂（LixMn2O4、X=0(充电状态)）。183℃附近有一个放热反应，随后有一个放热峰，放热峰峰值约为290℃，与上述的电解液相比、在低温测得（183℃）开始放热，这是正极材料的热分解，释放氧气、使得电解液氧化分解。从上述DSC测定中，可观察到热分解的起始温度、可以评价LIB的热稳定性、起始温度越高热稳定性越高。本资料显示的是完全充电状态的结果、也有充电越多，Li脱离量越多、热稳定性也会越降低的报告。综上所述，通过差示扫描量热仪DSC对电解液以及正极材料进行热特性的评价，我们可以了解电解液以及正极材料在程序升温过程中的吸放热现象，为锂电池安全生产、加工和使用过程作参考。关于日立TA7000系列热分析仪详情，请见：日立 DSC7020/DSC7000X差示扫描热量仪https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C313721.htm日立 STA7000Series 热重-差热同步分析仪https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C313727.htm日立 TMA7000Series 热机械分析仪https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C313737.htm日立 DMA7100 动态机械分析仪https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C313739.htm 关于日立高新技术公司：日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。

目前针对电解液成分组成的测定方法或文献非常稀少，本文的目的是建立 简单，高效的气相色谱质谱检测方法，灵敏、快速测定锂电池电解液成分及 含量。 锂电池电解液是电池中离子传输的载体。一般由锂盐和 有机溶剂组成。有机溶剂主要是酯类化合物，这些酯类 化合物种类和含量对锂电池的性能起关键性作用。 本方法是将锂电池电解液样品直接稀释，用气相色谱 - 质谱进行定性、定量。方法操作简单，9 种酯类化合物检 出限在 3.0 μg/L-30.0 μg/L 之间。结论样品中的 9 种酯类化合物用乙酸乙酯稀释至合适浓度后 直接进样，采用赛默飞世尔新型的气相色谱质谱仪检测 和确证，外标法定量。结果表明，9 种酯类化合物的回 收率为 92.4.3-105.3%，6 次平行测定的 RSD 值≤ 4.16%。此 法操作简单，科学准确，灵敏度高，能够满足锂电池电 解液组成成分分析要求。 点击气相色谱 - 质谱法测定锂电池电解液组分 下载方案

能量型锂金属电池作为下一代电化学储能技术，是电动汽车、航空航天等领域发展的基础。然而，在构建高比能锂金属电池的条件下，锂枝晶不可控生长和中间产物穿梭等问题严重制约了其产业化进程。近日，中国科学院兰州化学物理研究所环境材料与生态化学研发中心和淮阴师范学院合作，在硅基超亲电解液锂电池隔膜研究取得新进展。一种仿树叶结构的锂电池隔膜，用于解决高能量密度锂金属电池中不可控的锂枝晶生长等问题。相关论文发表于Small。据了解，课题组受树叶分级结构及其精细流体通道的启发，研究人员结合液体/温度诱导相分离和原位聚合反应，设计了一种具有分级多孔结构和离子选择性的凹凸棒石/聚合物复合隔膜。研究表明，该隔膜可有效、快速传递锂离子，同时能抑制锂盐阴离子的通过，从而实现了锂离子在锂金属负极表面均匀、定向沉积，改善了电池的界面稳定性和循环稳定性。此外，该隔膜展示了超亲电解液性能、高的电解液吸液率和保留率、良好的热稳定性和阻燃性能。研究人员将其应用于锂-硫电池和锂-磷酸铁锂电池时，在室温或高温条件下均表现出优异的循环稳定性和倍率性能等。仿树叶结构凹凸棒石/聚合物复合隔膜的制备及表征。兰州化物所供图。

随着技术的不断革新，锂电池正在逐渐朝着小型轻量化，大容量化，长寿命化发展，对于锂电池的安全性能有了更高的要求，锂电池中每种材料的主成分、添加物和杂质都会影响其安全性和性能，因此需要高精度“定量分析各材料中的锂元素”、“测定正极活性物质中的组成元素摩尔比”、“测定有机溶剂-电解液中分离出的异物”等。ICP等离子体发射光谱法适合多元素分析，但不适用碱金属和有机溶剂分析，这种方法对某些元素的检测灵敏度低。而且使用成本较高。日立偏振塞曼原子吸收分光光度计可以高精度定量分析碱金属-锂元素，并且可以稳定测定正极材料中组成元素的摩尔比，其精度低于1％。此外，还可以轻松测定有机溶剂-电解液中含有的异物，石墨炉法比ICP等离子体发射光谱法的检测灵敏度更高。 ■ 分析实例对钴酸锂中的锂元素和钴元素进行定量分析，最终得到两种元素的摩尔比基本为其理想摩尔比1：1，其精度低于1％。采用日立偏振塞曼原子吸收分光光度计可以高精度地测定正极材料中组成元素的摩尔比。从电解液结果可知，分别使用火焰法测定电解液中钠元素，石墨炉法测定电解液中钾元素，可得到准确地测定结果，并且石墨炉法测定钾元素灵敏度高，可轻松实现ppb级别测定。采用日立偏振塞曼原子吸收分光光度计可以准确高灵敏度测定有机溶剂-电解液中含有的异物。 关于日立偏振塞曼原子吸收分光光度计ZA3000系列热分析仪详情，请见： https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C170248.htm关于日立高新技术公司：日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。

赛默飞世尔科技（以下简称：赛默飞）近日发布法测定锂电池电解液组分的解决方案，通过操作简单，科学准确，灵敏度高的分析方法，满足锂电池电解液组成成分分析要求。锂电池电解液是电池中离子传输的载体，一般由锂盐和有机溶剂组成。有机溶剂主要是酯类化合物，这些酯类化合物种类和含量对锂电池的性能起关键性作用。 本方法是将锂电池电解液样品直接稀释，用气相色谱质谱进行定性、定量。方法操作简单，9种酯类化合物检出限在3.0 μg/L-30.0 μg/L 之间。 样品中的9 种酯类化合物用乙酸乙酯稀释至合适浓度后直接进样，采用赛默飞新型Thermo ScientificTM TRACETM 1300 气相色谱仪，配合Thermo ScientificTM ISQTM 系列四极杆 GC-MS 系统检测和确证，外标法定量。结果表明，9 种酯类化合物的回收率为92.4.3-105.3%，6次平行测定的RSD 值≤ 4.16%。解决方案下载，请查看：http://tools.thermofisher.com/content/sfs/brochures/Measurements%20of%20electrolyte%20components%20in%20the%20lithium%20battery%20by%20GCMS.pdf 更多产品信息，请查看：TRACETM 1300 气相色谱仪https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/14800400?ICID=search-product ISQTM 系列四极杆 GC-MS 系统https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/IQLAAAGAAJFALOMAYE?ICID=search-product ---------------------------------------------------关于赛默飞世尔科技赛默飞世尔科技（纽约证交所代码：TMO）是科学服务领域的世界领导者。公司年销售额170亿美元，在50个国家拥有约50,000名员工。我们的使命是帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。我们的产品和服务帮助客户加速生命科学领域的研究、解决在分析领域所遇到的复杂问题与挑战，促进医疗诊断发展、提高实验室生产力。借助于首要品牌Thermo Scientific、Applied Biosystems、Invitrogen、Fisher Scientific和Unity Lab Services，我们将创新技术、便捷采购方案和实验室运营管理的整体解决方案相结合，为客户、股东和员工创造价值。欲了解更多信息，请浏览公司网站：www.thermofisher.com 赛默飞世尔科技中国赛默飞世尔科技进入中国发展已有30多年，在中国的总部设于上海，并在北京、广州、香港、台湾、成都、沈阳、西安、南京、武汉、昆明等地设立了分公 司，员工人数约3800名。我们的产品主要包括分析仪器、实验室设备、试剂、耗材和软件等，提供实验室综合解决方案，为各行各业的客户服务。为了满足中国市场的需求，现有8家工厂分别在上海、北京和苏州运营。我们在全国共设立了6个应用开发中心，将世界级的前沿技术和产品带给国内客户，并提供应 用开发与培训等多项服务；位于上海的中国创新中心结合国内市场的需求和国外先进技术，研发适合中国的技术和产品；我们拥有遍布全国的维修服务网点和特别成 立的中国技术培训团队，在全国有超过2000名专业人员直接为客户提供服务。我们致力于帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。欲了解更多信息，请登录网站：www.thermofisher.com请扫码关注：赛默飞世尔科技中国官方微信

近日，大连化学物理研究所燃料电池研究部醇类燃料电池及复合电能源研究中心金属燃料电池系统研究组(DNL0313组)王二东研究员团队在水系镁空气电池电解液设计研究方面取得新进展，提出一种无氯电解液，有效避免了镁负极在传统氯化钠(NaCl)电解液中的阳极析氢腐蚀问题。水系镁空气电池具有理论能量密度高、环境友好、安全性高、成本低和贮存寿命长的特点，是一种理想的应急储备电源，其主要应用场景包括露营、日常停电或者遇到地震、洪水等灾难的紧急情况。该类电池无需充电，使用前加注河水、海水或者其他水源，电池即可对外供电。然而，镁负极在NaCl电解液中发生阳极溶解反应时还伴随着剧烈的析氢腐蚀反应，且存在负差效应(随着放电电流密度增大，析氢腐蚀速率加快)。长期以来，文献报道中的镁负极利用率停留在60%左右，使得镁空气电池的比能量大打折扣。 　　该工作中，团队提出采用乙酸钠(NaAc)电解液，构建均匀溶解和无局部腐蚀的镁负极/电解液界面；借助乙酸根离子中甲基的空间位阻效应，增加阴离子在表面膜中的扩散能垒，避免镁负极表面膜的破坏，从而抑制了镁负极在放电过程中的阳极析氢腐蚀。基于该策略下的镁负极在10 mA cm-2电流密度下的利用率可达84%，高于在传统NaCl电解液中的59%，基于镁负极质量计算的比能量由1370 Wh kg-1提升到1770 Wh kg-1。此外，团队还在商业化镁空气电池中证实了NaAc电解液的实用性。该工作为设计高性能镁空气电池提供了一条简单可行的途径，同时揭示了镁负差效应的根本原因。 　　上述工作以“A chloride-free electrolyte to suppress the anodic hydrogen evolution corrosion of magnesium anode in aqueous magnesium air batteries”为题，于近日发表在《化学工程学报》(Chemical Engineering Journal)上。该工作的第一作者是大连化学物理研究所DNL0313组博士后高建新。上述工作得到了国家自然科学基金、中科院重点部署项目等资助。

作者 | LPCM,University of Bordeaux I France.编译 | 文军前言上一篇中，我们向大家介绍了如何用拉曼研究锂电池充放电过程正负。今天，我们仍将和您聊一聊光谱分析对锂电池产业发展的深刻作用。您知道么，现在的拉曼光谱技术可以实时原位跟踪电池中离子浓度的变化，进而确定离子的扩散系数以及离子迁移数，在固态电解质电池分析中经常大显身手。同时越来越多的锂电研究都用到拉曼光谱技术。想要详细了解这些，您就跟我们一起走进拉曼篇（2）——固态电解质锂电池的原位研究吧！利用拉曼我们来分析什么？固态电解质电池相比传统液态电解液电池，可以有效避免电池漏液，而且还可以将电池做得更薄（厚度仅为0.1mm）、能量密度更高、体积更小，是未来锂电行业的发展方向。然而在电池的设计研究过程中，离子的扩散和定向迁移是设计任一款新型电池时必须考虑的因素，它直接关乎到电池的容量、充放电效率、使用寿命等，因此这两项指标的研究是非常重要的。目前，在液态的电解质中，有很多成熟的技术可以测量离子的扩散和定向迁移，但是对于聚合物电解质来说，这些技术已经不再适用。此时，显微拉曼光谱成为一种可供选择的替代工具，可以实时原位跟踪电池中离子浓度的变化，进而确定离子的扩散系数以及离子迁移数。接下来，我们就来以法国波尔多大学分子物理化学实验室的研究为例，看看他们是如何利用拉曼光谱技术进行锂电池研究的。1案例：锂/固态聚合物/锂对称型电池分析本案例中，波尔多大学的研究人员选用Li/PEOLiTFSI/Li对称型电池作为分析对象，利用拉曼光谱得到的浓度曲线，确定锂盐的扩散系数以及离子迁移数。在电池充电之前，研究人员首先进行一遍测量，检查整个电解质中锂盐浓度的均匀性。然后依次施加方向相反的恒定电流，利用 HORIBA 激光拉曼光谱仪原位测量达到稳定状态后电解质，建立浓度梯度。后，通过得到的实验结果，研究人员可以直观的看到电流密度和锂盐浓度值的关系（结果参见下图）。正如预期的那样，浓度梯度的大小随着所通电流密度值增大而增大。据此，我们还可以得出达到稳定状态后锂盐浓度随着弛豫时间变化的信息[1]，从而进一步确定扩散系数和离子迁移数。1. （上）锂电和PEOLiTFSI电解质之间的实验测量点，红色标记为选定的测量点，横坐标为各点之间距离2.（下）拉曼光谱成像显示出的锂盐浓度，该浓度值依赖于位置（横坐标），充放电电流和弛豫时间（左侧纵坐标）。2其他案例除了上述对锂/固态聚合物/锂对称型电池进行拉曼分析，波尔多大学的研究人员还做了两项其他方面的研究：1利用显微拉曼光谱解析电解质的P(EO)n LiTFSI薄膜中的锂盐浓度。2利用拉曼光谱对锂离子在LixV2O5负材料中的插入和脱出进行分析，发现拉曼可以作为电测试之外另一种行之有效的手段，从而更好地认识复合电中发生的离子插入。因篇幅所限，本文暂不赘述，您可以手机识别二维码索取详细测试研究分析报告。为什么越来越多锂电研究用到拉曼光谱技术？显微拉曼光谱技术可以通过一个可观察的窗口进行微型电池的原位表征，就是说我们可以实时追踪到电池中正在进行的变化。此外，现代显微拉曼技术所具备以下卓越的性能，较其他测量技术具备以下突出的优势，因此受到越来越多的锂电研究人员的关注。1实时监测锂电池的充放电过程，要求拉曼光谱仪具有快速的数据采集、拉曼成像和高通量等特点。因此，研究人员可以追踪快速的化学反应过程，如离子扩散和迁移。2电池的小型化是未来微电池的发展需求，而在透明的电解质中，显微拉曼的空间分辨率可达到衍射限（亚微米），这就使得显微拉曼助力微电池研究切实可行。致 谢本文结果是在法国波尔多大学分子物理化学实验室取得的。特别感谢J-C. Lassègues教授和L. Servant教授从他们的广泛的拉曼-光谱化学研究工作中提供的实验数据。参考文献[1] Raman spectroelectrochemistry of a Lithium/polymer electrolyte symmetric cell, Isabelle rey, jean-Luc Bruneel, Joseph Grondin, Laurent servant and jean-Claude Lassègues, J. Electrochem. Soc., 145(9), pp3034-3042.免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者提供或互联网转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，HORIBA Scientific 发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享，供读者自行参考及评述。如果您认为本文存在侵权之处，请与我们取得联系，我们会及进行处理。HORIBA Scientific 力求数据严谨准确，如有任何失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。HORIBA科学仪器事业部结合旗下具有近 200 多年发展历史的 Jobin Yvon 光学光谱技术，HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。

2024年6月12-13日，第七届先进电池电解质/隔膜材料技术国际暨第二届固态电解质技术与市场发展论坛在苏州召开。东西分析携AA－7050型原子吸收分光光度计参加了此次活动。第七届先进电池电解质/隔膜材料技术国际论坛暨第二届固态电解质技术与市场发展论坛由中国化学与物理电源行业协会和中国电子科技集团公司第十八研究所共同主办，论坛上，来自各地的专家学者和企业代表围绕“提升锂电行业新质生产力”的主题，就固态电解质技术、先进电池电解质/隔膜材料技术等方面展开深入讨论。他们通过分享最新的研究成果、技术进展和市场趋势，为与会者带来前沿的学术报告和技术分享。东西分析展台前，参观交流的观众络绎不绝。此次东西分析展出的展品是AA－7050型原子吸收分光光度计。这款仪器以其精准度高、操作简便、功能强大等特点，赢得了参观者的一致好评。在展台前，工作人员以专业的态度，耐心地向每一位观众介绍这款仪器在电池领域应用中的实际案例和检测效果。电池，作为可再生能源发电体系中关键组件，肩负着推动全球可持续能源发展的重要使命。为确保电池材料及产品的安全可靠性，从电池原材料至电解质的每一个环节，均需经过严格的精确分析测试。这些测试可以全面评估电池的性能、寿命及安全性，为电池行业的稳健发展奠定基础。东西分析公司，依托其丰富的质谱、光谱、色谱等多条产品线，为电池行业提供了一套全方位的分析测试解决方案。这些方案可以进一步提升电池的性能和品质，从而推动电池行业的健康发展，为可持续能源事业贡献力量。仪器推荐电池材料中重金属检测推荐仪器适合分析电池材料中的重金属含量，满足《GB/T 11064.4-2013、GB/T 11064.5-2013、GB/T 11064.6-2013碳酸锂、单水氢氧化锂、氯化锂中钾量、钠量、钙量和镁量的测定 火焰原子吸收光谱法》、《YS/T 1472.4-2021 富锂锰基正极材料中锂、镍、钴、钠、钾、铜、钙、铁、镁、锌、铝、硅含量的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》等检测需求。电池材料中有机成分检测推荐仪器气相色谱质谱联用仪适用于分析电池电解液溶剂及相关原料中的有机成分，比如环状碳酸酯（PC、EC）、链状碳酸酯（DEC、DMC、EMC）及羧酸酯类（MF、MA、EA、MA、MP等）。电池材料检测及产品中气体检测推荐仪器气相色谱可用于电池产气分析，电池电解液原料纯度分析等，符合《SJ/T 11568-2016 锂离子电池用电解液溶剂》、《HG∕T 5786-2021 工业用碳酸丙烯酯》等标准检测要求。电池材料中离子检测推荐仪器离子色谱适用于分析电池电解液溶剂及相关原料中的氟离子，氯离子，硫酸根等，满足《SJ/T 11568-2016 锂离子电池用电解液溶剂》、《GB/T19282-2014 六氟磷酸锂的分析方法》等标准的检测需求。请点击下方链接，获取电池行业的全面解决方案实用干货｜助力锂电行业，共迎科技未来

&bull Inara Aguiar美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的研究人员采用电解质添加剂来改善高能量密度锂金属电池的功能。通过在分隔电池阳极和阴极的电解液中添加硝酸铯，锂金属电池的充电速率显着提高，同时保持较长的循环寿命。锂金属电池具有锂金属阳极，而不是锂离子电池中存在的石墨阳极。“锂金属电池很有吸引力，因为它可以提供两倍于石墨阳极电池的能量密度，”布鲁克海文电化学储能小组的研究助理、最近发表在《自然通讯》上的论文的第一作者穆罕默德莫米努尔拉赫曼（Muhammad Mominur Rahman）解释说。“但还有很多挑战需要解决。”从左到右：布鲁克海文光束线科学家 Sanjit Ghose 与化学家 Enyuan Hu 和 Muhammad Mominur Rahman 在国家同步加速器光源 II X 射线粉末衍射光束线处。（图片来源：Jessica Rotkiewicz/布鲁克海文国家实验室）这些挑战之一是寻找能够形成有效界面的电解质。这种保护层可防止电池电极退化，是制造可与当今最先进的电池一样频繁充电和放电的锂金属电池的关键。“我们希望提高当前最先进的锂金属电池的充电速率，”拉赫曼解释道。“但我们还希望通过更具保护性的界面来稳定电池，以便它们的使用寿命更长。”电化学储能组首席研究员胡恩元和他的团队是 Battery500 联盟的成员，该联盟是多个国家实验室和大学的合作项目。该联盟的主要目标之一是制造能量密度为每公斤500瓦时的电池，这是当前锂离子电池能量密度的两倍多。通常，能够实现电池快速充电的电解质也可能与锂金属阳极发生反应。如果这些化学反应不受控制地进行，电解质就会分解并缩短电池的循环寿命。为了防止这种情况发生，布鲁克海文的科学家决定设计界面。先前的研究表明，铯添加剂可以稳定锂金属阳极。但为了提高充电速率同时保持电池循环寿命，阳极和阴极必须同时稳定。研究人员相信硝酸铯可以用于锂金属电池的这一目的。正如他们所假设的，正铯离子积聚在电池带负电的锂金属阳极侧，而负硝酸根离子则积聚在带正电的阴极上。四个光束线揭示电池行为为了更好地了解硝酸铯添加剂如何影响电解质组成和电池性能，科学家们在布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室用户设施国家同步加速器光源II（NSLS-II）使用了四条不同的光束线。先前的研究表明，铯添加剂可以稳定锂金属阳极。但为了提高充电速率同时保持电池循环寿命，阳极和阴极必须同时稳定。研究人员相信硝酸铯可以用于锂金属电池的这一目的。正如他们所假设的，正铯离子积聚在电池带负电的锂金属阳极侧，而负硝酸根离子则积聚在带正电的阴极上。 使用X射线粉末衍射（XPD）光束线的结果表明，硝酸铯添加剂增加了已知组分的存在，使界面更具保护性。值得注意的是，除了典型的晶体成分外，还鉴定出一种名为双（氟磺酰基）酰亚胺铯的化合物。拉赫曼强调：“这种间期成分以前从未被报道过。”。“但这不仅仅是我们的发现，”胡补充道。“这也是中间相所缺失的。”研究电池的科学家普遍认为氟化锂是良好界面的必要组成部分。令人惊讶的是，它不在那里。“我们不知道为什么它不在那里，”胡说。“但事实上，这种不含氟化锂的中间相能够实现长循环寿命和快速充电，这一事实激励我们重新审视目前对中间相的理解。”他们使用亚微米分辨率 X 射线光谱 (SRX) 光束线，定量分析了循环后电池电极及其各自界面上收集的化学元素。扫描 XRF 图像证实阳极界面相中存在的铯多于阴极界面相中的铯。硝酸铯添加剂还可以防止构成阴极的过渡金属的分解，有助于阴极和锂金属电池的整体稳定性。研究中还使用了快速 X 射线吸收和散射 (QAS) 以及原位和操作软 X 射线光谱 (IOS) 光束线，并对各个电极上存在的原子的化学和电子状态进行了详细分析。此外，在功能纳米材料中心（CFN）的材料合成和表征设施中进行的扫描电子显微镜实验表明，当将硝酸铯添加到电解质中时，电化学反应形成的锂均匀沉积，有助于电极的稳定。通过将两个用户设施的各种技术相结合，科学家们可以全面了解锂金属电池在硝酸铯添加剂的作用下的表现。拉赫曼说：“锂金属电池已经取得了长足的进步，但仍有很长的路要走。相间在仍需取得的进展中发挥着关键作用。”。“我们的工作为相间工程创造了新的机会，我希望这将激励其他人以不同的方式看待相间，从而加快锂金属电池的开发。”原始出版物Rahman, M.M., et al.: An inorganic-rich but LiF-free interphase for fast charging and long cycle life lithium metal batteries. Nat Commun (2023) DOI: 10.1038/s41467-023-44282-z 作者简介 Inara Aguiar 是科学编辑和作家，拥有无机化学博士学位。在获得计算化学博士后，她开始担任化学、工程、生物工程和生物化学领域的科学编辑。她一直在多家科学出版商担任技术作家/编辑，最近作为自由职业者内容创作者加入 Wiley Analytical Science。文章来源：A dual-functional additive for fast charging and long cycle life of lithium metal batteries，Microscopy Electron and Ion Microscopy Light Microscopy ，WILEY, Analytical Science，9 February 2024供稿：符 斌

背景介绍铜粉是粉末冶金中基础原料之一。也是我国大量生产和消费的有色金属粉末，在现在工业生产中起着不可替代的作用，由于铜及其粉末具有良好的导电导热性能，耐腐蚀性能，表面光洁和无磁性等特点。因而被广泛应用于摩擦材料，金刚石工具，电碳制品，含油轴承，电触头材料，导电材料，机械零件等行业。铜粉的制备方法主要有电解法，雾化法，氧化还原法等。本实验采用电解法制备纯铜粉末，电解液采用0.06mol/L硫酸铜溶液和0.2mol/L硫酸，用铜或者不锈钢做阴极，铜做阳极。制取铜粉的基本工艺：本实验通过改变电解液温度来研究铜粉表面形貌变化。采用ZEISS的Sigma500型号电镜拍摄并观察其表面形貌，对比图片如图1： 图1 不同电解液温度铜粉形貌结果表明：电解法制备的铜粉比表面积大，结晶粉末一般为树枝状，压制性较好。图a1、a2，b1、b2，c1、c2三组图片，电解液温度分别为15°、30°、45°，为了观察整体铜粉形貌以及局部形貌，每组都是在2000X，5000X进行拍摄，通过对比三组图片，能够看出提高电解液温度，扩散速度增加，晶粒长大速度也增大，树枝晶逐渐变大变粗。

在国家自然科学重点项目、杰出青年基金等资助下，复旦大学新能源研究院夏永姚教授课题组多年来一直从事锂离子嵌入化合物在水溶液电解质中特性的研究，近期在这一领域取得重要进展，最新研究成果发表在《Nature Chemistry》上(2010, 2，760-765)。 　　众所周知，相对于目前广泛用于摄像机、笔记本电脑、移动电话等移动通讯器件的有机电解质溶液锂离子电池，水溶液电解质的锂离子电池具有价格低廉，无环境污染，高安全性能等优点而倍受人们关注，但其循环性能差的问题一直未能解决。夏永姚研究组从理论和实验上证实，在水和氧气存在下，作为电池负极的电极材料会被氧气氧化是造成水系锂离子电池容量衰减的主要原因。他们通过消除氧(电池密封)和选择合适的电极材料，大幅提高了电池的循环性能。这种电池将来可望用于风力、太阳能发电等能量储存、智能电网峰谷调荷和短距离的电动公交车等。该研究成果发表后，得到包括Chemistry World，科技日报、科学时报等媒介的报道。

冠亚电池水分测定仪参与华为石墨烯电池研究 原标题：华为石墨烯电池研究获突破：寿命是锂离子电池2倍 12月1日消息，近日，华为中央研究院瓦特实验室在第57届日本电池大会上宣布在锂离子电池领域实现重大研究突破，推出业界高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示，以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10℃，使用寿命是普通锂离子电池的2倍。　　华为瓦特实验室首席科学家李阳兴博士指出，石墨烯基高温锂离子电池技术突破主要来自三个方面：在电解液中加入特殊添加剂，除去痕量水，避免电解液的高温分解；电池正极选用改性的大单晶三元材料，提高材料的热稳定性；同时，采用新型材料石墨烯，可实现锂离子电池与环境间的高效散热。　　“高温环境下的充放电测试表明，同等工作参数下，该石墨烯基高温锂离子电池的温升比普通锂离子电池降低5℃； 60°C高温循环2000次，容量保持率仍超过70%；60℃高温存储200天，容量损失小于13%”， 李阳兴博士表示。　　这一研究成果将给通信基站的储能业务带来革新。在炎热地区使用该高温锂离子电池的外挂基站工作寿命可达4年以上。石墨烯基锂离子电池也将助力电动车在高温环境下持久续航，以及无人机高温发热下的安全飞行。　　去年，华为瓦特实验室在第56届日本电池大会（The 56th Battery Symposium in Japan）上发布了5分钟即可充满3000mAh电池48%电量的快充技术成果，引起业界广泛关注。据李阳兴博士透露，华为快充电池已经商用，并将于今年12月底正式对外发布超级快充手机。 期间冠亚电池水分测定仪参与华为电池研究（代工厂）部分实验，冠亚电池水分仪系列包括有：电解液水分含量检测仪,特殊添加剂固含量检测仪,电池正极水分测定仪,石墨烯水分仪,锂电池水分仪等。采用国际标准方法可对电池材料水分含量在2-3分钟之内测试完。水分含量下限10ppm，检测方便科学精准，是电池厂商，实验室，检测部门的水分检测仪。

广州飞升 | 第二代FSH-LA线性注液泵，助力圆柱、数码电池注液广州飞升的FSH-LA系列集成式线性注液泵是为满足圆柱电池注液需求，减少安装空间而设计开发的。搭配工业平板调机使用，方便快捷，网口通信，实现工业互联。广州飞升FSH-LA系列集成式线性注液泵技术规格表：技术规格表型号FSH-LA10-D-PNFSH-LA30-D-PN注液范围0-10mL0-30mL最大流量15mL/s20mL/s系统独立注液精度±0.3%驱动方式 伺服电机注液量调节方式自动调节活塞材质特殊陶瓷管道配置进液φ8mm/出液φ6mm出液压力0.3Mpa适用介质水、电解液、酒精等无颗粒、低粘度液体电源电压DC 24V设备功率100W重量6Kg7Kg泵体尺寸（L*W*H）343*65*185mm420*65*185mm温度范围0-40°CFSH-LA系列集成式线性注液泵适用电池种类包括：14500/18650/21700/26650圆柱类电池、3C数码类电池等FSH-LA系列集成式线性注液泵系统特点：&bull 驱控一体式；&bull 自带工业平板；&bull 高精度，重复精度0.3%以内；&bull 线性运动，无脉冲，更平稳注液；&bull 不卡泵；&bull 数字化闭环控制。

p 　　近日，中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋、张华民领导的研究团队在高能量密度、长寿命锌碘液流电池研究方面取得新进展。研究成果作为“Very Important Paper”在线发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。 /p p 　　大规模储能技术是实现可再生能源普及应用的关键核心技术，液流电池由于具有安全性高、储能规模大、效率高、寿命长等特点，在大规模储能领域具有很好的应用前景。锌碘液流电池由于电化学活性好，电解质溶解度高，能量密度高(理论能量密度可达250.59Wh/L)等优势，具有很好的研究和应用前景。但是目前锌碘液流电池存在循环寿命短，功率密度低的问题。 /p p 　　为解决以上问题，该研究团队提出利用廉价的聚烯烃多孔膜(15美金/m2)替代昂贵的全氟磺酸离子交换膜，大大降低了电池成本。此外，该体系使用KI和ZnBr2的混合溶液作为电池的正负极电解质，大大提高了中性环境下电解质的电导率和稳定性。由于聚烯烃多孔膜的多孔结构在中性环境下表现出优异的离子传导能力，电池的工作电流密度大幅度提高。实验结果表明，在80mA/cm2下运行，单电池能量效率达82%，较之前报道的锌碘体系提高了8倍，能量密度达80Wh/L 在180mA/cm2运行条件下，电池的能量效率超过70%，表现出很好的功率特性。更为重要的是，聚烯烃多孔结构中充满的氧化态电解液I3-可以与锌枝晶反应，解决了由于锌枝晶导致的电池循环寿命差的问题。即便是电池因为锌枝晶发生短路，电池性能也能够通过膜孔中I3-对锌枝晶的溶解作用实现自恢复。该体系单电池在80mA/cm2下连续运行超过1000圈，性能无明显衰减，表现出很好的稳定性。为进一步证实该体系的实用性，研究团队成功集成出kW级电堆，该电堆在80mA/cm2下稳定运行超过300个循环，能量效率稳定在80%，表现出很好的可靠性。该电池目前仍处于研究初期阶段，需进一步提高其高电流密度下的可靠性，推进其实用化和产业化。 /p p 　　上述工作为开发新一代高性能的液流电池新体系提供了很好的借鉴，也为其他锌基液流电池的研发提供了新的思路。 /p p img title=" v183344_b1526963928105.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/ac1d0392-cdeb-44ed-937f-f9f31f657397.jpg" / /p p 　　大连化物所高能量密度、长寿命锌碘液流电池研究取得新进展 /p p /p p /p

赛默飞离子色谱助力锂离子电池品质提升关注我们，更多干货和惊喜好礼您是否留意到，有一样东西，没有它就没有智能手机和平板电脑，没有它也没有重生的苹果及现在的小米，没有它您也享受不到微信带来的各种便利，当然您更不能坐在舒适、安静及环保的新能源汽车里环游世界，这都是锂电池的功劳。不管您是生活在繁华的大都市还是宁静的小乡村，它影响着我们工作和生活的方方面面。锂电池是1912年由Gilbert N. Lewis早提出并研究，1991年索尼公司商品化了锂离子电池，2019年诺贝尔化学奖颁给了约翰B古迪纳夫等三人，以表彰他们在锂电领域做出的贡献。我国也非常重视锂电产业，近几年出台多部政策鼓励新能源汽车的发展，在政策的推动下，中国锂电产业规模迅猛增长。2018年，中国锂电产业规模约占产业规模的41%，跃居首位，且持续高速增长，据专家预测到2025年，我国锂电产业规模将超过6000亿元，市场前景广阔。锂离子电池的四大关键材料为正极、负极、电解液及隔膜，其中电解液在电池正负极之间进行离子和离子化合物的传输，它的含量和性能直接决定了电池的电导率、容量和输出电压，因此电解液中不同锂盐含量和配比直接影响电池的性能，故锂盐含量的监控就变得尤为重要。 赛默飞解决方案赛默飞Integrion高压离子色谱仪可助您轻松实现锂盐监控，若您选择小粒径柱，分析速度能让您有点小激动。 Thermo Scientific™ 图 常见6种锂盐快速分离色谱图（点击查看大图）Thermo Scientific™ Dionex™ Integrion 高压离子色谱仪图 碳酸酯溶剂在线去除系统（点击查看大图） 滑动查看更多 赛默飞-Integrion高压离子色谱分析电解液中锂盐具有以下特点：仪器高耐压可达6000psi（PEEK材质），兼容小粒径色谱柱；分析效率高，15min内可完成常规锂盐的分析；柱容量高，分离度好，目标物之间无相互干扰，定量结果准确可靠；选配在线处理系统，兼容碳酸酯溶剂直接进样，无需担心样品水解。赛默飞离子色谱交流群飞飞Hi 老兄，新买的新能源汽车充满电放几天就没电了，咋回事呢？赛老师是电池里的杂质离子引起的“自放电”。飞飞杂质离子来自哪呢？赛老师电解液中碳酸酯和锂盐、正极和负极材料、隔膜和阻燃剂等都能引入杂质离子，即使ppb级别的杂质离子都能影响电池性能。飞飞什么手段能监控ppb级别的杂质离子呢？赛老师赛默飞家的Integrion离子色谱可以助您轻松实现ppb级别杂质离子准确定量，并且配备“只加水”特色技术，省去您配淋洗液的麻烦。图 电解液中常见杂质阴离子分离图谱（点击查看大图）图 “只加水”离子色谱仪原理图（点击查看大图）图 淋洗液自动发生器（Eluent Generator，EG）原理图（点击查看大图）图 在线浓缩、中和、去除重金属离子及疏水性化合物系统（点击查看大图） 滑动查看更多 赛默飞-Integrion高压离子色谱分析锂离子电池材料杂质离子特点：配备“只加水”技术，可帮您消除每次配制淋洗液的烦恼；多步高压梯度，多组分同时分析时，可兼顾分离度及分析效率；OH体系灵敏度优于碳酸体系，适用于痕量杂质分析；淋洗液和再生液通道完全隔离的微膜抑制器，无交叉污染；可满足电解液碳酸酯溶剂及锂盐、正极和负极材料、隔膜、阻燃剂及粘胶中ppb级别杂质离子监控；可满足标准GB/T 24533-2019及GB/T 18282-2014的要求；选配在线处理系统，实现样品在线浓缩、中和、去除重金属离子及疏水性化合物。赛默飞为电池研发者提供了离子与质谱联用方案，为电池充放电过程中副反应产物定性、为活性物质降解机理提供监控方案，助力研发者掌握电池内部化学变化规律，为我们提供更高性能的电池。图 六氟磷酸锂降解机理途径研究图 电解抑制器原理图（点击查看大图）图 离子色谱串联质谱（IC-MS/MS）（点击查看大图） 滑动查看更多 赛默飞离子色谱与质谱联用特点：Chromeleon变色龙统一操作软件，可实现离子色谱与质谱的同时控制；联用接口——在线电解抑制器，持续稳定的在线脱盐，无需修改IC分离方法，完美对接质谱；质谱检测器平台提供单杆质谱、三重四极杆质谱以及高分辨质谱等完整质谱选项；可助您探索电池充放电过程内部化学变化的奥妙。 总结从电解液中锂盐含量的监控，到电池材料杂质离子检测，再到电池内部物质转化的研究，赛默飞离子色谱均能为您提供优质的解决方案。 如需合作转载本文，请文末留言。扫描下方二维码即可获取赛默飞全行业解决方案，或关注“赛默飞色谱与质谱中国”公众号，了解更多资讯+了解更多的产品及应用资讯，可至赛默飞色谱与质谱展台。https://www.instrument.com.cn/netshow/sh100244/

日前，为了进一步提高电动自行车锂电池质量安全谁，工业和信息部组织起草了《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》（GB 43854—2024）。从此，电动自行车的锂电池有了强制性国标。在我国城市街头，电动自行车社会保有量超过3.5亿辆，是千家万户的重要出行工具，超过20%的电动自行车配备了锂电池。锂电池在我们的生活中无处不在，带来了前所未有的便利，也隐藏着一些鲜为人知的威胁——那就是锂电池的产气行为。锂离子电池在正常使用过程中，由于电解液的氧化还原反应、正负极材料分解以及SEI膜分解等多种因素，可能会产生一定量的气体。这些气体在电池内部积聚，虽然初期可能不会对电池性能产生显著影响，但随着时间的推移，它们却可能成为潜在的“定时炸弹”。因此，为避免锂电池产气带来的潜在危害，我们需要深入研究产气行为规律，积极探索电池安全技术，并致力于开发更高品质的锂电池产品。（锂电池的产气成分研究）1、电池产气导致电池内部压力升高当压力超过电池外壳的承受极限时，电池可能会发生膨胀、泄漏甚至爆炸。这样的后果不仅可能损坏设备，更可能对用户造成人身伤害。（手机锂电池膨胀形变）2、电池产气影响电池性能和寿命由于产气行为的存在，电池内部有效空间被压缩，导致锂离子传递速度减慢。这不仅会降低电池的放电速率和能量密度，还会增加电池阻抗，电池更容易发热。日积月累，电池性能会加速衰减，寿命大大缩短。3、电池产气对环境造成污染虽然这些气体在正常情况下不会大量释放到环境中，但在电池损坏或回收处理不当的情况下，可能会泄漏到大气或水体中，对生态环境造成不良影响。面对这些潜在威胁，如何减少锂电池产气风险？1、源头上控制气体产生电池制造商通过不断优化生产工艺和材料配方，减少电解液和正负极材料中可能产生气体的杂质和残留物。同时，加强电池外壳的密封性和耐压能力也是必不可少的措施。2、注重电池保养和维护避免过充、过放和高温环境等恶劣条件对电池造成损害。此外，定期检查和更换老化的电池也是保障安全的重要手段。3、加强电池回收和处理建立健全的电池回收体系和处理机制可以最大限度地减少废旧电池对环境的影响和潜在危害。避免危机电池流入市场，引发安全事故。（锂电池热失控）《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》规定了电动自行车用锂离子蓄电池单体的安全要求，从电气安全、机械安全、环境安全、热扩散、互认协同充电、数据采集、标志等7个方面入手，从源头上提升锂离子蓄电池的本质安全水平。强制性新国标出台意味着市场需要更安全的锂电池产品。多个方面入手加强管理和控制减少气体产生的风险保障锂离子电池的安全和可靠性。通过专业测试仪器，了解电池在不同阶段的产气速率与产气总量，获取电池性能、质量和环境影响的重要信息。 （GPT-1000原位产气量测定仪）武汉电弛新能源有限公司推出了GPT-1000原位产气量测定仪，可实时、在线、连续、原位监测电池的产气行为，包括产气量和产气速率等参数，实现化成产气、过充产气、循环产气、存储产气等各阶段产气行为研究。GPT-1000原位产气量测定仪应用广泛，满足软包电池、方形/硬壳电池、圆柱电池、固态电池、钠电池等测试需求。

锂电池是一种以锂离子为电荷载体的可充电电池，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车（EVs）、能源存储系统以及其他多种应用中。锂电池由正极材料、负极材料、电解液、隔膜、电池外壳等部件组成，其中 01正极材料： 常见的有锂钴氧化物（LiCoO2）、锂铁磷酸盐（LiFePO4）、锂镍锰钴氧化物（NMC）等。 02 负极材料： 通常使用石墨或硅基材料。 03 电解液： 含有锂盐的有机溶剂，如六氟磷酸锂（LiPF6）溶解在碳酸酯类溶剂中。 04 隔膜： 一种多孔材料，允许锂离子通过，同时防止电极间的物理接触。 05 电池外壳： 保护内部组件并提供结构支持。 如新能源汽车上使用的磷酸铁锂电池和三元锂电池，正极使用的配方与主量元素间的配比，直接决定电池的能量密度、充放电循环效率等。正/负极材料与点解液中的杂质元素含量，对电池品质也有着重要影响，珀金埃尔默分析仪器对上述质量控制节点，均有很好的解决方案。 1 ICP-OES/ICP-MS 正极材料分析中的应用 锂电池的正极质量影响着电池的充放电性能，其中正极的主量元素配比以及杂质元素的浓度尤为重要。当正极材料中存在铁(Fe )、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、锌(Zn)、铅(Pb)等金属杂质时，电池化成阶段的电压达到这些金属元素的氧化还原电位后，这些金属就会先在正极氧化再到负极还原，当负极处的金属单质累积到一定程度，其沉积金属坚硬的棱角就会刺穿隔膜，造成电池自放电。自放电对锂离子电池会造成致命的影响，因而从源头上防止金属异物的引入就显得格外重要。 图1. 电池正极材料 现阶段的众多锂电池企业，均采用ICP-OES作为主量元素配比以及杂质元素浓度的测定工具。使用ICP-OES测试主量与杂质元素时，可能会遇到的一些问题如： 1.主量元素浓度高，仪器动态范围是否够宽? 2.测定主含量元素的同时，能否测定微量杂质元素？ 3.测定主含量元素仪器是否稳定? 4.测定杂质仪器是否有足够的灵敏度? 等等 得益于珀金埃尔默公司Avio系列ICP-OES上的独特设计，配备平板等离子体技术、双向观测模式、丰富的元素谱线库、专利性的光谱干扰校正技术（MSF，多谱拟合技术）能够有效解决上述问题。 （点击查看大图） 伴随着产业的发展以及工艺的提升，对杂质的管控越发严格，杂质浓度限值一直在往下调。ICP-OES由于其仪器原理的限制，在测定低浓度杂质元素时遇到瓶颈。Cr、Cu、Fe、Zn、Pb这些元素尤其明显。据调研，部分厂家该5个元素浓度控制在1ppm以下（部分厂家Fe含量在10 ppm以内），在常规100倍固液稀释比前处理后，样品溶液中该元素浓度在10 ppb以下，因此使用ICP-OES进行检测遇到了极大的挑战，尤其在谱线干扰严重的情况下。而ICP-MS由于其灵敏度更高，检测下限更低，是一个非常好的检测手段。 图2. NexION系列ICP-MS 使用ICP-MS测试正极材料中杂质元素的挑战包括： 1. 杂质元素会受到主量元素质谱干扰； 2. 对不同类型的质谱干扰，需要不同的干扰校正模式。 通过对多个厂家的锂电正极材料做测试，运用空白实验、平行样、加标回收等质控手段进行测试，验证了珀金埃尔默NexION系列ICP-MS，标配AMS进样系统，配合大锥孔三锥设计，四极杆离子偏转器，可以获得优异的基体耐受性、仪器稳定性，以及更低的记忆效应。 图3. NexION ICP-MS测试正极材料 杂质元素加标回收率 （点击查看大图）图4. NexION ICP-MS测试正极材料 杂质元素校准曲线 （点击查看大图）实验结果表明，通过选择合适的同位素以及仪器强大的耐基体性能保证了数据的准确性与稳定性。该方法十分适合分析高基体锂电正极材料。 2 ICP-MS在锂电池 电解液分析中的应用 电解液是锂离子电池的重要组成部分，在电池中作为离子传输的载体，使锂离子在正负极间移动。电解液通常由锂盐、溶剂和添加剂组成，其中溶剂提供离子传输介质，锂盐增强电解质的离子传输率。 电解液样品无法用传统的微波消解前处理，因为样品中含有乙醇与其他挥发性有机物，微波消解会发生爆罐。马弗炉灰化会产生大量有毒的氟化磷，而电热板消解需要大量酸同时实验人员必须在边上值守防止样品碳化，耗时且会引入污染。所以对于这类样品用有机溶剂直接溶解后快速直接进样。短时间内即可处理完样品，同时避免了容器与酸引入的污染。 珀金埃尔默公司的ICP-MS搭配全基体进样系统（AMS）为电解液中杂质元素分析提供一条全新思路。利用ICP-MS极高的灵敏度，可以采取更大稀释倍数降低Li元素带来的高盐影响，在前处理方面，仅采使用10%甲醇（电子级），50倍稀释上机，AMS使用氩氧混合气，实现加氧防止有机物积碳，同时用氩气减少基体效应。实现了电解液中杂质元素的准确、高效、环保分析。 电解液直接进样也会引入大量C相关的质谱干扰，如Mg、Al、Cr会分别受到CC、CN、ArC等干扰，另外Ar与H2O也会是K，Ca，Fe等收到干扰。NexION系列ICP-MS全系列均可使用纯氨气作为反应气体，消除相应的质谱干扰。从而获得最准确的结果。 图5. NexION ICP-MS测试电解液杂质元素1ppb（Hg 0.1ppb）加标回收率 （点击查看大图） 图6. NexION ICP-MS测试 电解液杂质部分元素校准曲线 （点击查看大图） 3 GCMS在锂电池 电解液分析中的应用 通常用于商用锂电池的电解质溶液含有锂盐、有机溶剂和一些添加剂。有机溶剂主要是环状碳酸酯，例如碳酸亚乙酯和碳酸丙烯酯，或链状碳酸酯，例如碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯。这些碳酸盐的构成和比例对锂离子电池的能量密度、循环寿命和安全性有重要影响。因此，研究电解质溶液中碳酸盐的构成和含量对锂离子电池的开发和质量控制起着重要作用。 图7. 珀金埃尔默 GCMS 2400 珀金埃尔默 GCMS 2400配 EI 源测定了锂离子电池电解液中的9种碳酸盐。实验结果显示该方法具有良好的精确度、回收率、线性和检测限，能够满足锂离子电池行业的需求。 表1. 精确度、回收率以及方法检出限、定量限 （点击查看大图） 4 GC在锂电池中 鼓包气体成分分析中的应用 锂离子电池因其重量轻、能量密度高以及比其他类型电池的使用寿命长等特性，被广泛应用于动力、储能等产业。锂离子电池在循环使用或储存中,可能因为电解液组分发生成膜及氧化反应、电池过充过放、内部微短路等原因导致SEI膜分解破坏从而产生气体,也可能因电解液中的高含量水分发生电解反应等原因导致电池产气鼓包, 从而带来极大的安全隐患。因此，了解电池鼓包气体的组成对于优化电解液的组成是至关重要的。 珀金埃尔默独特的解决方案，采用气相色谱TCD和带甲烷转化炉FID检测器串接技术对锂离子电池中产生的鼓包气体进行检测，获得鼓包气体的主要成分和定量分析。常见鼓包气成分有H2，O2，N2，CO，CO2等永久性气体以及CH4，C2H4，C2H6等烷烃类气体，采用TCD和带甲烷转化炉FID检测器串接技术可以同时满足高含量的CO，CO2分析以及低含量的CO，CO2 ，CH4，C2H4，C2H6等烷烃分析，该方法CO，CO2及烷烃类检出限小于1ppm，H2检出限小于10 ppm，该方法可实现手动气密针进样以及气体阀进样，可以获得待测锂离子电池鼓包气体完整、精准的分析结果。 表2.n=7次进样的相对标准偏差(RSD%) （点击查看大图） 5 热分析设备 在电池领域的应用简介在电池组原材料领域， DSC设备可用来分析聚合物以及金属材料的各种相变过程以及相应吸放热量的大小（比如分析聚丙烯的玻璃化转变温度以及结晶熔融过程等）；STA同步热分析仪可以研究各种材料的热稳定性，确定热分解温度，定量测定复合材料的相对组成比例等。典型图谱如下图8和图9所示； 图8 电池原材料熔融和结晶过程评价 （点击查看大图）

锂离子电池（LIBs）是一种充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来完成充放电的工作。LIBs是公认的绿色环保化学电源，具有电压高、比能量大、放电电压平稳、循环性能好等优点，因而发展迅速，应用广泛。LIBs主要用于智能手机、平板电脑等3C领域，电动汽车、电动自行车等动力电池领域以及电网、5G基站等储能领域。电解液组成分析对LIBs的能量密度、循环寿命和安全性研究具有重要意义。在电解液原材料检测以及研发过程中，涉及主盐含量、有机溶剂组份、水分、阴离子、金属杂质等各项测试。在SJ/T 11568-2016《锂离子电池用电解液溶剂》等相关标准中，使用GC对电解液溶剂的纯度与总醇进行检测。1、锂离子电池电解液中碳酸酯类有机溶剂含量测定电解液中碳酸酯类溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）和碳酸亚乙烯酯（VC）等。岛津推荐采用GC-FID对已知电解质溶剂的常规定量检测，GCMS用于电解液中未知溶剂和不纯有机物中杂质的定性、定量检测。本例采用GC-FID对已知电解质溶剂进行常规定量检测。图1 标准溶液谱图取实际电解液样品，正己烷适当稀释后进样分析，得到分离谱图，通过多点校正外标法获得样品结果。图2 实际样品谱图表1 样品定量结果2、碳酸二甲酯（DMC）中水分含量测定碳酸二甲酯（DMC）是电池电解液中常用有机溶剂，利用岛津BID检测器进行DMC中水分含量的测定，方法操作简单、重复性好，适用于化工产品DMC中水分含量的快速分析，可以满足生产过程质量控制的要求。图3 标准色谱图（含水量0.1%）使用DMC配制标准溶液，含水量分别为 0.001、0.005、0.01、0.05、0.1%，进样分析制作标准曲线，以0.001%标准溶液响应值计算仪器检出限。图4 标准曲线表2 相关系数及仪器检出限使用含水量0.01%的DMC溶液，重复进样6次，峰面积重复性良好，RSD小于2%。图5 重叠谱图3、锂电池电极片中N-甲基吡咯烷酮（NMP）残留量测定NMP是生产锂电池非常重要的辅助材料，起到混合活性物质、导电剂和粘结剂的作用，但绝大部分的NMP在浆料涂布过程中被去除，这是因为NMP对于电池来说是杂质，根据工艺分析要求，采用顶空进样器结合气相色谱仪进行锂电池电极片中NMP残留量的测定。图6 Nexis GC-2030 + HS-20 NX本例采用岛津HS-20 NX顶空进样器结合Nexis GC-2030气相色谱仪，建立了电池电极片中NMP残留量的检测方法，标准曲线良好、灵敏度高。图7 N-甲基吡咯烷酮标准色谱图图8 标准曲线表3 相关系数及仪器检出限锂电池的整个生产过程需要配套完备的分析仪器，岛津气相色谱仪在锂离子电池产业链中拥有完善的解决方案，广泛应用于产品研发、生产、质控以及原料进厂检验等众多环节，助力锂离子电池产业健康发展。参考资料：1. 岛津应用No. GCMS-058 气相色谱测定锂电池电解液中碳酸酯类有机溶剂含量2. 岛津应用No. GC-194 GC-BID法测定碳酸二甲酯中水分含量3. 岛津应用No. GC-232 顶空-气相色谱法测定锂电池电极片中N-甲基吡咯烷酮残留量本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

导语 锂电池是一种高新技术产品，同时也是一种新型高容量长寿命环保电池，主要用于电动车，数码产品，UPS电源等。随着新能源汽车和手机等3C数码产品产业的爆发式增长，锂电池作为其关键组成部分也发展迅速。锂电池由四大材料组成，分别为正极材料（核心），负极材料，电解液，隔膜。这些材料都有相应的水分控制要求，一般在数百ppm范围以内，不同厂家不同规格产品要求略有不同，如果超出过多，可能会导致电极涂覆不均或者引发电解液分解，导致HF生成继而引发电极鼓包等不良反应。 因为电极材料非常容易吸水，不能长时间暴露于空气中，所以不宜采用常规的加热失重法测试，通过卡式加热进样的方式再结合卡尔费休库仑法水分测试是目前较好的解决办法。 解决方案卡尔费休库仑法测试石墨粉中的水分卡尔费休库仑法测试磷酸铁锂中的水分卡尔费休库仑法测试正极极片中的水分卡尔费休库仑法测试隔膜中的水分卡尔费休库仑法测试负极极片中的水分卡尔费休库仑法测试电解液中的水分卡尔费休库仑法测试锰粉中的水分卡尔费休库仑法测试钴酸锂中的水分相关仪器推荐 AKF-CH6锂电池卡尔费休水分测定仪是集水分测量模块和加热进样模块于一体的卡尔费休水分测定设备，仪器完全按照锂电行业用户的需求打造，外观设计新颖，使用维护方便，能够涵盖锂电行业从正负极材料、极片、隔膜到电解液；水分范围从1ppm到100%的使用需求。

p 　　日本朋友来家里做客时，时常谈到中国汽车业的未来，特别是电动汽车近年来在中国的大发展。 br/ /p p 　　“中国人喜欢买‘特斯拉’吗?”日本朋友常常会问。于是我就带他们下楼站在北京五道口的街边数“特斯拉”，基本是过不了几分钟就会有一辆驶过。 /p p 　　日本朋友于是惊叹，北京的“特斯拉”拥有量一定超过东京了!当然，我还会告诉他们，中国电动汽车市场的未来增长点，不仅在于美国生产的“特斯拉”，更在于许许多多蓬勃生长的本土品牌。 /p p 　　中国电动汽车市场的规模和增长潜力，也被相关日本企业看在眼里。电动汽车里的一个关键部件，就是锂电池，而锂电池，正是日本企业的强项。锂电池技术在日本发展较早，日企因此在锂电池电解液和正负极等金属材料方面拥有多项专利，在观察检测锂电池纯度的电子显微镜和锂电池回收上，拥有丰富的经验。这让他们嗅到了在中国市场巨大的商机。 /p p 　　比如，锂电池对材料纯度要求极高，其中如果混入了金属碎屑，就有可能发生电池着火、爆炸的情况。而一旦发现异物，就需要立即停止生产，汽车电池的生产规模巨大，停产就意味着企业面临数百万元甚至数千万元的经济损失。因此，电动汽车企业需要用精度很高的电子显微镜进行严格检测，以防上述情况的发生。 /p p 　　以生产领先的电子显微镜知名的日立高新技术公司于是在今年3月直接斥资在上海开设了“日立高新技术科学园”，主打电子显微镜并配备多种相关分析仪器，未来瞄准中国市场的意图非常明确。 /p p 　　随着电动汽车的普及，还会有大量的废弃锂电池需要回收，这里面也蕴藏着巨大的商机。 /p p 　　日本三菱材料公司过去一直以生产铜、铅著称，目前也开始把重心转移到锂电池回收的研发上来。另外一家以生产相机知名的日本企业富士胶片，也具有电池回收的相关技术，正在积极寻找来中国合作的机会。 /p p 　　日本的日产汽车更在2018年2月宣布，计划在中国投资600亿元直接生产电动汽车。 /p p 　　日本企业都非常清楚，未来世界最大的电动汽车市场一定在中国，汽车用锂离子电池生产中心也在这里。 /p p 　　日立高新技术公司中国事业集团先端分析装置部部长郑艺花说：“我们已经看到，中国的论文发表量超过了日本，仅次于美国，居全球第二位，这表明中国在很多研究领域已经是全球领先水平。所以我们的侧重点也在改变——原先中国只是一个为客户提供产品和解决方案的市场，未来中国会成为前沿产品的研发中心，引领技术变革。” /p p br/ /p

关注“新能源”锂电安全|深度分析锂电池鼓胀气体高丽LIBs锂离子电池(LIBs)因其重量轻、能量密度高以及比其他类型电池的使用寿命长等特性，被广泛应用于动力、储能以及3C等产业。锂离子电池在循环使用或储存中，可能因为电解液组分发生成膜及氧化反应、电池过充过放、内部微短路等原因导致SEI膜分解破坏从而产生气体，也可能因电解液中的高含量水分发生电解反应等原因导致电池产气鼓胀，出现具有一定安全风险的失效，主要有热失控、胀气、膨胀形变等。因此，了解电池鼓胀气体的组成对于优化电解液的组成是至关重要的。三类成分电池在老化、放电等过程中会产生各种气体成分非常复杂。其中主要有三类成分：1）永久气体如氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等；2）短链碳氢化合物(C2-C5)；3）其他可挥发性化合物。赛默飞气相色谱锂电池鼓胀气体分析方案锂离子电池鼓胀气体的常见产气成分有H2,CO,CO2等永久性气体以及CH4,C2H4,C2H6等烷烃类气体。表1.校正气体组成方案一：气密针进样某些小型LIBs在使用过程中只会产生几毫升的膨胀气体。针对气体量极少的这一类样品，赛默飞推出气密针进样，配置一个TCD和一个FID检测器，一根分析柱和一根预柱，一次进样实现对电池鼓胀气体成分H2,O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C3H6,C3H8的分析。图1.FID通道校正标样色谱图（方案一）（点击查看大图）图2.TCD通道校正标样色谱图（方案一）（点击查看大图）方案二：气密针/阀进样赛默飞推出气密针/阀进样，配置一个TCD和一个FID检测器。一根分析柱和一根预柱，一根毛细管分析柱，一次进样实现对电池鼓胀气体成分H2,O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C3H6,C3H8,i-C4H10,n-C4H10,i-C5H12,n-C5H12的分析。图3.TCD通道校正标样色谱图（方案二）（点击查看大图）图4.FID通道校正标样色谱图（方案二）（点击查看大图）完善的解决方案在锂电池产业链中，除了电池鼓胀气体成分分析，还需要围绕产品质量、原材料质控、或锂电池各种性能指标的研发工作进行一系列的理化测试，包括：元素分析、电解液、添加剂成分分析、石墨类负极材料有机物含量测试、电解液未知成分分析、SO42-、Cl-等阴离子及Si等非金属元素分析、电解液等原材料鉴别等。赛默飞在锂电子电池材料检测领域积累了丰富的经验，为广大用户提供完善的解决方案。扫描下方二维码即可获取赛默飞全行业解决方案，或关注“赛默飞色谱与质谱中国”公众号，了解更多资讯+

8 月 16 日 - 18 日，2017 第二届亚太电池技术展览会在广州琶洲国际会展中心举行。飞纳电镜作为锂电材料形貌成份高效检测工具，盛装出席此次会议，现场展示了飞纳电镜高分辨率专业版 Phenom Pro 和飞纳电镜大样品室卓越版 Phenom XL，其中 Phenom XL 集成了背散射电子成像，二次电子成像与能谱分析等功能，两台台式扫描电镜吸引了众多参观者的目光。由于新能源汽车的高速增长，各锂电池企业纷纷扩产。相对以往单纯追求产能的突破外，行业内先行企业把目光投射到材料研发带来的电池产品性能提升上。锂电池主要由五部分构成，即正极材料、负极材料、电解液、隔膜和包装材料。其中，包装材料和石墨负极技术相对成熟，成本占比不高。锂离子电池的核心材料主要是正极材料、电解液和隔膜。其中，正极材料是锂电池最为关键的原材料，占锂电池成本的 30% 以上。材料的研发少不了一双“眼睛”，这双眼睛就是扫描电镜。扫描电镜可以对锂电池材料的正极材料，负极材料，隔膜，极片等进行微观的形貌检测及元素成份分析。飞纳台式扫描电镜使用独特的 CeB6 灯丝，提高了扫描电镜的分辨率，保证了图像质量。由于操作简单，维护方便，抽真空时间短，大大地提高检测效率，受到锂电池企业客户的青睐。设计精巧，完全防震，省去了客户为精密仪器安装环境要求高的担忧。即时在展会现场喧闹的环境中，飞纳电镜仍然能高效运行，30 秒成像，持续稳定地工作。锂电池正极材料由于中国大型锂电正极材料近十年迅速发展，产品质量大幅度提高，并具备较强的成本优势，近年来日韩锂电企业开始逐步从中国进口锂电正极材料，据悉目前中国锂电正极材料市场份额已占据全球一半左右，未来发展空间仍广阔。飞纳电镜拍摄的锂电池正极材料锂电池负极材料负极材料作为锂电池的四大关键材料之一，决定了锂电池充放电效率、循环寿命等性能。锂电池负极材料国内技术成熟，碳材料种类繁多，成本比重最低，在 5-10% 左右。现阶段负极材料研究的主要方向如下：石墨化碳材料、无定型碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金和其他材料。飞纳电镜拍摄的锂电池负极材料隔膜隔膜在成本构成上仅次于正极材料，占 20-30%，隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能。飞纳电镜拍摄的锂电池隔膜更多体验，尽在飞纳电镜飞纳台式扫描电镜 VR 之旅手套箱版台式电镜有些锂电池材料很容易与空气发生反应，影响形貌成份分析，飞纳电镜发布全球首款手套箱版台式电镜，实现扫描电镜放置在手套箱内，制样-观察全程惰性气体保护。原位通电样品杯允许用户将电探针连接到样品进行原位测量

近日，大连化物所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员和袁治章研究员团队开发的面向用户侧的100kWh锌溴液流电池系统在榆林中科洁净能源创新研究院并网运行。该系统由电解液循环系统、4个单堆容量为30kWh级的电堆以及与其配套的电力控制模块组成，设计放电总能量为100kWh。该系统在额定30kW功率下放电时，放电能量为110.3kWh，直流侧能量转化效率为83.0%。　　锌溴液流电池具有能量密度高（190Wh/L，基于2mol/L活性物质）、成本低等优势，在用户侧储能领域具有良好的应用前景。但锌溴液流电池仍存在锌负极沉积面容量低、锌枝晶等关键科学与技术问题需要进一步解决。　　大连化物所储能技术研究部坚持基础研究与应用研究并重，通过对电池关键材料包括电极材料（Sci. Bull.，2022；ACS Energy Lett.，2021；Adv. Mater.，2020；Sci. Bull.，2021；Adv. Funct. Mater.，2021）、电解液（J. Energ. Chem.，2022；Energy Environ. Sci.，2021；Adv. Funct. Mater.，2021；Adv. Mater.，2020）、高性能离子传导膜（Energy Storage Mater.，2022；Mater. Today Energy，2021）等设计开发，初步解决了锌溴液流电池运行工作电流密度偏低、锌枝晶、面容量偏低等问题。近年来，团队通过电堆结构设计，调控电堆内部流场分布，优化电堆运行策略，将锌溴液流电池电堆面容量提高近一倍至140mAh/cm2，大幅度提高了电池能量密度。在前期单堆能量30kWh级电堆稳定运行的基础上，集成出100kWh锌溴液流电池系统。该系统的成功开发，将进一步推动用户侧新型液流电池的发展，对于推动液流电池可持续发展具有重要意义。　　以上工作得到了中科院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”、榆林创新院能源革命科技专项等项目的支持。

p style=" text-align: center " /p p style=" text-align: center " strong img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/a9849a7c-1457-4d49-ab26-81b4bbc2cb08.jpg" title=" A solid polymer electrolyte film that’s being utilized in lithium batteries.jpg" width=" 300" height=" 161" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 300px height: 161px " / /strong /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " strong 由Zhu博士领导的研究中锂电池上正在使用的固体聚合物电解质薄膜。 /strong /span /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 0, 0) " strong 图片来源：阿克伦大学。 /strong /span /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 嵌入式医疗设备、无人驾驶飞行器、电动汽车 /strong /span strong 和 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 其他类似产品 /span 的电源，对它们的性能至关重要。 /strong /p p 　　那么，如果像锂电池这种能量储存装置没有如预期工作，会发生什么呢?一辆电动或混合动力汽车将无法使用，急需的生物医学器具会耽误病人的健康。 /p p 　　这些都是聚合物科学教授Yu Zhu博士和其他科学家共同努力避免的后果。 /p p 　　Zhu的研究小组的论文题目为 strong i “一种超离子导体导电的，电化学稳定的双盐聚合物电解质” /i /strong ，可以在《焦耳》，细胞出版社的前瞻性期刊上浏览，该刊物涵盖各个领域的能源研究。 /p p 　　Zhu和他的研究团队发明了一种固体聚合物电解质，可用于锂离子电池，以替代现有的液体电解质，可提高锂电池的安全性和性能。 /p p 　　Zhu谈到， strong 由于电极的高界面电阻和低离子导电性，固体电解质并未在锂电池领域进行市场推广 /strong 。然而，Zhu和他的团队发现， span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 室温条件下，一种双盐基聚合物固体电解质在锂电池电极材料和超离子导体导电性方面表现出优异的电化学稳定性 /span 。 /p p 　　 span style=" color: rgb(31, 73, 125) " i “长期以来，人们一直考虑将固体电解质用于锂离子电池，因为它的阻燃性，高机械强度，可能会减轻电池故障造成的灾难。电池的安全性和能量密度是锂电池新兴应用领域的主要问题，比如在电动汽车中的使用。 /i /span /p p span style=" color: rgb(31, 73, 125) " i 　　如果固态聚合物电解质得到成功开发，电池的能量密度将会翻倍，锂电池的安全问题也会被消除。这项研究为开发具有前景的锂电池用固体电解质奠定了强有力的基础。” /i /span /p p style=" text-align: right " span style=" color: rgb(31, 73, 125) " 本文主要作者，Yu Zhu博士 /span /p p 　　该研究团队已建立了一家名为 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Akron PolyEnergy /span 的公司，该公司将进一步开发这种方法，并为未来的商业化目标制备一个大型原型样品。 /p p 　　Zhu的研究生， span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Si Li /span 和 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Yu-Ming Chen /span ，是这项研究的主要作者。其他科学家还有研究生 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Wenfeng Liang，Yunfan Shao span style=" color: rgb(0, 0, 0) " 和 /span Kewei Liu /span ，以及位于校内的国家高分子创新中心仪器科学家 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " Zhorro Nikolov /span 博士。 /p

p 　　进一步提高电池的能量密度是动力电池发展的主题和趋势, 而关键材料是其基础. 本文从锂离子动力电池正、负极材料, 隔膜及电解液等几个方面, 对锂离子动力电池关键材料的发展趋势进行评述. 开发高电压、高容量的正极新材料成为动力锂离子电池比能量大幅度提升的主要途径 负极材料将继续朝低成本、高比能量、高安全性的方向发展, 硅基负极材料将全面替代其他负极材料成为行业共识. 此外, 本文还对锂离子动力电池正极、负极材料等的选择及匹配技术、动力电池安全性、电池制造工艺等的关键技术进行了简要分析, 并提出了锂离子动力电池研究中应予以关注的基础科学问题. /p p strong 　　1 引言 /strong /p p 　　发展新能源汽车被广泛认为是有效应对能源与环境挑战的重要战略举措. 此外, 对我国而言, 发展新能源汽车是我国从“汽车大国”迈向“汽车强国”的必由之路 [1] . 近年来, 新能源汽车产销量呈现井喷式增长, 全球保有量已超过130万辆, 已进入到规模产业化的阶段. 我国也在2015年超过美国成为全球最大的新能源汽车产销国. 以动力电池作为部分或全部动力的电动汽车, 因具有高效节能和非现场排放的显著优势,是当前新能源汽车发展的主攻方向. 为了满足电动汽车跑得更远、跑得更快、更加安全便捷的需求, 进一步提高比能量和比功率、延长使用寿命和缩短充电时间、提升安全性和可靠性以及降低成本是动力电池技术发展的主题和趋势. /p p 　　近日,由中国汽车工程学会公布的《节能与新能源汽车技术路线图》为我国的动力电池技术绘制了发展蓝图. 该路线图提出,到2020年,纯电动汽车动力电池单体比能量达到350Wh/kg,2025年达到400Wh/kg,2030年则要达到500W h/kg 近中期在优化现有体系锂离子动力电池技术满足新能源汽车规模化发展需求的同时, 以开发新型锂离子动力电池为重点, 提升其安全性、一致性和寿命等关键技术, 同步开展新体系动力电池的前瞻性研发 中远期在持续优化提升新型锂离子动力电池的同时, 重点研发新体系动力电池, 显著提升能量密度、大幅降低成本、实现新体系动力电池实用化和规模化应用. /p p 　　由此可见, 在未来相当长的时间内, 锂离子电池仍将是动力电池的主流产品. 锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、环境友好、可以兼具良好的能量密度和功率密度等优点, 是目前综合性能最好的动力电池, 已被广泛应用于各类电动汽车中 [2~7] . /p p 　　本文简要介绍了锂离子动力电池的产业技术发展概况, 并从锂离子动力电池正、负极材料, 隔膜及电解液等几个方面, 对锂离子动力电池关键材料的发展趋势进行评述. 本文还对锂离子动力电池正、负极材料的选择及匹配技术、动力电池安全性、电池制造工艺等关键技术进行了简要分析, 并提出了锂离子动力电池研究中应予以关注的基础科学问题. /p p strong 　　2 锂离子动力电池产业技术发展概况 /strong /p p 　　从产业发展情况来看, 目前世界知名的电动汽车动力电池制造商包括日本松下、车辆能源供应公司(AESC)、韩国LG化学和三星SDI等都在积极推进高比能量动力锂离子电池的研发工作. 综合来看, 日本锂电池产业的技术路线是从锰酸锂(LMO)到镍钴锰酸锂三元(NCM)材料. 例如, 松下的动力电池技术路线早期采取锰酸锂, 目前则发展镍钴锰酸锂三元、镍钴铝酸锂(NCA)作为正极材料, 其动力电池主要搭载在特斯拉等车型上. 韩国企业以锰酸锂材料为基础, 如LG化学早期采用锰酸锂作为正极材料, 应用于雪佛兰Volt车型, 近年来三星SDI和LG化学已经全面转向镍钴锰酸锂三元材料(表1) [8] . /p p 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/2d0662ae-8c3d-4524-aa6c-4ba35fb5d971.jpg" title=" 1.jpg" / /p p 　　目前国内主流动力锂电池厂商, 如比亚迪等仍以磷酸铁锂为主, 磷酸铁锂电池在得到了大规模普及应用的同时, 其能量密度从2007年的90W h/kg提高到目前的140W h/kg. 然而, 由于磷酸铁锂电池能量密度提升空间有限, 随着对动力电池能量密度要求的大幅提升, 国内动力电池厂商技术路线向镍钴锰三元、镍钴铝或其混合材料的转换趋势明显(表2). /p p 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/fd4ccbd7-67aa-49c0-bf98-30020d1d0ed3.jpg" title=" 2.jpg" / /p p strong 　　3 锂离子动力电池关键材料的发展趋势 /strong /p p 　　锂离子电池采用高电位可逆存储和释放锂离子的含锂化合物作正极, 低电位可逆嵌入和脱出锂离子的材料作负极, 可传导锂离子的电子绝缘层作为隔膜,锂盐溶于有机溶剂作为电解液, 如图1所示. 正极材料、负极材料、隔膜和电解液构成锂离子电池的4种关键材料. /p p 　　3.1 正极材料 /p p 　　锰酸锂(LMO)的优势是原料成本低、合成工艺简单、热稳定性好、倍率性能和低温性能优越, 但由于存在Jahn-Teller效应及钝化层的形成、Mn的溶解和电解液在高电位下分解等问题, 其高温循环与储存性能差. 通过优化导电剂含量、纯化电解液、控制材料比表面 [11] 以及表面修饰 [12] 改善LMO材料的高温及储存性能是目前研究中较为常见且有效的改性方法. /p p 　　磷酸铁锂(LFP)正极材料有着良好的热稳定性和循环性能, 这得益于结构中的磷酸基聚阴离子对整个材料的框架具有稳定的作用. 同时磷酸铁锂原料成本低、对环境相对友好, 因而使得LFP成为目前电动汽车动力电池中的主流材料 [12~16] . 但由于锂离子在橄榄石结构中的迁移是通过一维通道进行的, LFP材料存在着导电性较差、锂离子扩散系数低等缺点. /p p 　　从材料制备角度来说, LFP的合成反应涉及复杂的多相反应,因此很难保证反应的一致性, 这是由其化学反应热力学上的根本性原因所决定的 [16] . 磷酸铁锂的改进主要集中在表面包覆、离子掺杂和材料纳米化三个方面.合成工艺的优化和生产过程自动化是提高LFP批次稳定性的基本解决方法. 不过, 由于磷酸铁锂材料电压平台较低(约3.4V), 使得磷酸铁锂电池的能量密度偏低,这一缺点限制了其在长续航小型乘用车领域的应用. /p p 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/4796d208-e8dd-4b71-a5fc-296ecba8d6c1.jpg" title=" 3.jpg" / /p p 　　镍钴锰三元(NCM)或多元材料优势在于成本适中、比容量较高, 材料中镍钴锰比例可在一定范围内调整, 并具有不同性能. 目前国外量产应用的动力锂电正极材料也主要集中在镍钴锰酸锂三元或多元材料, 但仍然存在一些亟需解决的问题, 包括电子导电率低、大倍率稳定性差、高电压循环定性差、阳离子混排(尤其是富镍三元)、高低温性能差、安全性能差等 [17] . 另外, 由于三元正极材料安全性能较差, 采用合适的安全机制如陶瓷隔膜材料也已成为行业共识 [18] . /p p 　　考虑到安全性等问题, 通过改进工艺(如减少电极壳的重量等)来提高电池能量密度的空间有限. 为了进一步提高动力锂离子电池的能量密度, 开发高电压、高容量的正极新材料成为动力锂离子电池比能量大幅度提升的主要途径(图2) [19,20] /p p 　　3.1.1 高电压正极材料 /p p 　　开发可以输出更高电压的正极材料是提高材料能量密度的重要途径之一. 此外, 高电压的另一显著优势是在电池组装成组时, 只需要使用比较少的单体电池串联就能达到额定的输出电压, 可以简化电池组的控制单元. 目前主流的高电压正极材料是尖晶石过渡金属掺杂的LiM x Mn 2?x O 4 (M=Co、Cr、Ni、Fe、Cu /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/3b01137b-1330-47a0-a313-51c9d4f2f033.jpg" title=" 4.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图 2 比较各种类型的高电压、高容量正极材料的体积能量密度、功率、循环性、成本和热稳定性的雷达图 [20] (网络版彩图)等) /p p 　　最典型的材料是LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , 虽然其比容量仅有146mAh/g, 但由于工作电压可达到4.7V, 能量密度可达到686W h/kg [20,21] . 本课题组 [22] 以板栗壳状的MnO 2为锰源, 通过浸渍方法合成了由纳米级的多面体聚集而成微米球状的尖晶石镍锰酸锂(LNMO)材料. 该结构对电解液的浸入和锂离子的嵌入和脱出十分有利,且可以适应材料在充放电过程中的体积变化, 减小材料颗粒之间的张力. 该研究还发现, 含有微量Mn 3+的LNMO电化学性能更优, 充放电循环80圈后放电比容量还能保持在107mAh/g, 容量保持率接近100%.LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 的比容量衰减制约了它的商业化进程,其原因多与活性材料以及集流体与电解液之间的相互作用相关, 由于电解液在高电位下的不稳定性, 如传统碳酸酯类电解液会在4.5V电压以上氧化分解, 使得锂离子电池在高电压充放电下发生气胀, 循环性能变差. /p p 　　因此, 高电压正极材料需要解决电解液匹配问题.解决上述问题的方法包括以下3个方面. (1) 材料表面包覆 [23~25] 和掺杂 [26~28] . 例如, Kim等 [28] 近期通过表面4价Ti取代得到LiNi 0.5 Mn 1.2 Ti 0.3 O 4 材料, 透射电子显微镜显示材料表面形成了坚固的钝化层, 因此减少了界面副反应, 30℃下全电池实验结果表明在4.85V截止电压, 200个循环后, 容量保持率提高了约75%. 然而, 单独的表面涂层/掺杂似乎不能提供长期的循环稳定性(如≥500个循环), 在应用中必须考虑与其他策略相结合. (2) 使用电解液添加剂或其他新型电解质组合 [29~31] . /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/e33aa180-4c60-4e9a-af6d-315f29391fd1.jpg" title=" 5.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图 3 具有良好电化学稳定性的用于高电压LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 材料的LiFSA/DMC电解液体系.& nbsp /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " (a) LiFSA/DMC混合电解液中的组分结构示意图 (b) 两种不同配比情况下, 溶剂分子典型平衡轨迹的DFT-MD模拟 (c) 铝电极在LiFSA/DMC混合电解液中的高电压稳定性 (d) 全电池在40° C, C/5倍率下的循环性能 [31] (网络版彩图) /span /p p 　　如图3所示, Yamada课题组 [31] 利用简单的LiFSA/DMC(1:1.1, 摩尔比)电解液体系实现了LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 /石墨全电池在40℃温度下循环100次后容量保持90%, 尽管高度浓缩的系统的离子电导率降低了一个数量级(30℃时为约1.1 mS/cm), 但依然保持了与使用商业碳酸酯电解液体系相当的倍率性能. (3) 使用具有离子选择透过性的隔膜 [32~35] . 已经证明使用电化学活性的Li 4+x Ti 5 O 12 膜 [32] 以及锂化Nafion膜与商业PP膜的复合隔膜 [33] 能够极大地改善LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 的循环寿命. /p p 　　此外, 一些由LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 衍生的新型尖晶石结构高电压材料如LiTiMnO 4 [36] 、LiCoMnO 4 [37,38] 等, 以及橄榄石结构磷酸盐/氟磷酸盐也被广泛研究, 如LiCoPO 4 [39] 、LiNiPO 4 [40] 、LiVPO 4 F [41] 等 [42] . /p p 　　3.1.2 高容量正极材料 /p p 　　由于锂离子电池负极材料的比容量远高于正极材料, 因此正极材料对全电池的能量密度影响更大.通过简单的计算可知, 在现有的水平上, 如果将正极材料的比容量翻倍, 就能够使全电池的能量密度提高57%. 而负极材料的比容量即使增加到现有的10倍, 全电池的能量密度也只能提高47% [43] . /p p 　　镍钴锰三元材料中, Ni为主要活性元素, 一般来说,活性金属成分含量越高, 材料容量就越大.低镍多元材料如NCM111、NCM523等能量密度较低, 该类材料体系所能达到的动力电池能量密度为120~180Wh/kg, 无法满足更高的能量密度要求. 高容量正极材料的一个发展方向就是发展高镍三元或多元体系. /p p 　　高镍多元体系中, 镍含量在80%以上的多元材料(NCA或NCM811)能量密度优势明显, 用这些材料制作的电池匹配适宜的高容量负极和电解液后能量密度可达到300Wh/kg以上 [44] . 但是高镍多元材料较差的循环稳定性、热稳定性和储存性能极大地限制了其应用. 一般认为当镍的含量过高时, 会引起Ni 2+ 占据Li + 位置, 造成阳离子混排, 阻碍了Li + 的嵌入与脱出, 从而导致容量降低 [20,45,46] .另外, 材料表面与空气和电解液易发生副反应、高温条件下材料的结构稳定性差和表面催化活性较大也被认为是导致容量衰减的重要原因 [20,45,47] . /p p 　　解决上述问题的方法有如下3种. /p p 　　(1) 对材料进行有效的表面包覆或体相掺杂 [48~50] . 例如, 最近Chae等 [50] 利用湿化学法在NCM811表面包覆了一层N,N-二甲基吡咯磺酸盐,有效地阻隔了材料与电解液界面, 抑制了电解液在高镍三元材料表面的催化分解, 1C倍率下前50圈的平均库仑效率达99.8%, 容量保持率高达97.1%. /p p 　　(2) 开发具有浓度梯度的高镍三元体系 [51~55] . Sun课题组 [53~55] 采用共沉淀方法制备了具有双斜率浓度梯度三元材料,如图4所示, 这种材料的内部具有更高含量的镍, 有利于高容量的获得和保持, 外层有更高含量的锰, 有利于循环稳定性和热稳定性的提升. 通过Al掺杂, 具有浓度梯度的LiNi 0.61 Co 0.12 Mn 0.27 O 2 在经过3000次循环后,其容量保持率从65%大幅度提高到84%. /p p 　　(3) 开发与高容量正极材料相适应的电解液添加剂或新型电解液体系 [56~58] . /p p 　　目前高镍多元材料量产技术主要掌握在日韩少数企业手中, 如日本的住友、户田, 韩国的三星SDI、LG、GS等. 根据不同的应用领域, 材料的镍含量在78~90 mol%, 克容量集中在190~210mA h/g. 各公司正尝试将其应用于电动汽车领域, 其中尤以特斯拉采用的镍钴铝(NCA)受到广泛瞩目. 需要指出的是, NCA和NCM811两种材料在容量、生产工艺等方面具有很多相似性, 松下18650电池正极采用NCA正极, 电池能量密度约为250Wh/kg, 但NCA材料因存在铝元素分布不均、粒度难以长大等问题, 主要应用于圆柱电池领域, 圆柱型电池在在电池管理系统方面需要的技术与成本较高. /p p 　　除 此 之 外 , 基 于 Li 2 MnO 3 的 高 比 容 量 (200~300mAh/g) 富 锂 正 极 材 料 zLi 2 MnO 3 · (1?z)LiMO 2(0 /p p 　　3.2 负极材料 /p p 　　锂离子电池负极材料分为碳材料和非碳材料两大类. 其中碳材料又分为石墨和无定形碳, 如天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软炭(如焦炭)和一些硬炭等 其他非碳负极材料有氮化物、硅基材料、锡基材料、钛基材料、合金材料等 [61] . /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/6e6b8975-e32c-4aee-9021-c6d0edef3ad9.jpg" title=" 6.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图 4 Al掺杂的具有双斜率浓度梯度三元材料LiNi 0.61 Co 0.12 Mn 0.27 O 2 [54,55] . /p p & nbsp span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " (a) TEM EDS元素分析成像 (b) TEM 线性元素扫描分析 (c) Al掺杂和无掺杂的三元材料循环性能对比 (网络版彩图) /span /p p 　　负极材料将继续朝低成本、高比能量、高安全性的方向发展, 石墨类材料(包括人造石墨、天然石墨及中间相碳微球)仍然是当前锂离子动力电池的主流选择 近到中期, 硅基等新型大容量负极材料将逐步成熟, 以钛酸锂为代表的高功率密度、高安全性负极材料在混合动力电动车等领域的应用也将更加广泛. 中远期, 硅基负极材料将全面替代其他负极材料已成为行业共识. /p p 　　硅基负极材料被认为是可大幅度提升锂电池能量密度的最佳选择之一, 其理论比容量可以达到4000mAh/g以上 [62,63] , 与高容量正极材料匹配后, 单体电池理论比能量可以达到843Wh/kg, 但硅负极材料在充放电过程中存在巨大的体积膨胀收缩效应, 会导致电极粉化降低首次库仑效率并引起容量衰减 [64~67] . /p p 　　研究者尝试了多种方法解决该问题. /p p 　　(1) 制备纳米结构的材料, 纳米材料在体积变化上相对较小, 且具有更小的离子扩散路径和较高的嵌/脱锂性能, 包括纳米硅颗粒 [68~70] 、纳米线/管 [71~74] 、纳米薄膜/片 [75~77] 等. /p p 　　(2) 在硅材料中引入其他金属或非金属形成复合材料, 引入的组分可以缓冲硅的体积变化, 常见的复合材料包括硅碳复合材料 [78~82] 、硅-金属复合材料等 [83~85] . Cui课题组 [81] 通过先后在硅纳米颗粒表面包覆二氧化硅和碳层, 再将二氧化硅层刻蚀之后得到蛋黄蛋壳结构的硅碳复合材料, 如图5所示, 并利用原位透射电镜研究了碳壳与硅核之间的空隙对材料稳定性及电化学性能的影响. 由于蛋黄蛋壳的结构在硅和碳层之间预留了充足的空间, 使硅在嵌锂膨胀的时候不破坏外层的碳层, 从而稳定材料的结构并得到稳定的SEI膜. 在此基础上, 通过对碳包覆之后的纳米颗粒进行二次造粒,在大颗粒的表面再包覆碳膜, 最后刻蚀制备出类石榴的结构 [82] , 复合材料尺寸的增大减小了材料的比表面积, 提高了材料的稳定性, 材料的1000周循环容量保持率由74%提高到97%, 如图5所示. /p p 　　(3) 选用具有不同柔性、界面性质的黏结剂, 提高黏结作用 [86~88] 最近,Choi等 [88] 通过形成酯键使传统黏结剂聚丙烯酸PAA与多聚轮烷环组分PR交联结合得到具有特殊结构的双组分PR-PAA黏结剂, 如图6所示, 很大程度上提高了硅负极在充放电过程中的稳定性. /p p 　　(4) 采用体积变化相对缓和的非晶态硅材料, 如多孔硅材料等 [89,90] . /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/c68c0215-a21a-4fa0-9f73-1a0fca0d02f5.jpg" title=" 7.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图 5 具有蛋黄蛋壳的结构的硅碳复合锂离子电池负极材料 [81,82] . /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " & nbsp (a) 蛋黄蛋壳的结构合成示意图及TEM图 (b) 类石榴的结构合成示意图 (c) 硅纳米粒子、 蛋黄蛋壳结构硅碳复合材料、类石榴结构硅碳复合材料的循环性能对比 (网络版彩图) /span /p p 　　应用方面, 日立Maxell宣布已成功将硅基负极材料应用于高能量密度的小型电池 日本GS汤浅公司则已推出硅基负极材料锂电池, 并成功应用在三菱汽车上 特斯拉则宣称通过在人造石墨中加入10%的硅基材料, 已在其最新车型Model 3上采用硅碳复合材料作为动力电池负极材料. /p p 　　3.3 电解液 /p p 　　高安全性、高环境适应性是锂离子动力电池对电解液的基本要求. 随着电极材料的不断改善和更新, 对与之匹配的电解液的要求也越来越高. 由于开发新型电解液体系难度极大, 碳酸酯类有机溶剂配伍六氟磷酸锂盐的常规电解液体系在未来相当长一段时间内依然是动力电池的主流选择. /p p 　　在此情形下, 针对不同用途的动力电池和不同特性的电极材料, 优化溶剂配比、开发功能电解液添加剂就显得尤为重要.例如, 通过调整溶剂配比含量和添加特殊锂盐可以改善动力电池的高低温性能 加入防过充添加剂、阻燃添加剂可以使电池在过充电、短路、高温、针刺和热冲击等滥用条件下的安全性能得以大大提高 通过提纯溶剂、加入正极成膜添加剂可以在一定程度上满足高电压材料的充放电需求 通过加入SEI膜成膜添加剂调控SEI膜的组成与结构, 可以实现延长电池寿命 [91] . 近年来, 随着Kim等 [92] 第一次成功地将丁二腈(SN)作为电解液添加剂来提高石墨/LiCoO 2 电池的热稳定性, 以丁二腈(SN)和己二腈(ADN) [93] 等为代表的二腈类添加剂因其与正极表面金属原子极强的络合力并能很好地抑制电解液氧化分解和过渡金属溶出的优点, 已经成为学术界和工业界普遍认可的一类高电压添加剂. 而以1,3-丙烷磺酸内酯(PS [94] 和1,3-丙烯磺酸内酯(PES) [95] 等为代表的另一类高电压添加剂,即正极成膜添加剂, 则是通过在正极表面优先发生氧化反应并在正极表面形成一层致密的钝化膜, 从而达到阻止电解液和正极活性物质接触、抑制电解液在高电压下氧化分解的效果. /p p 　　目前, 高低温功能电解液的开发相对成熟, 动力电池的环境适应性问题基本解决, 进一步提高电池的能量密度和安全性是电解液研发的首要问题. 中远期, 锂离子动力电池电解液材料的发展趋势将主要集中在新型溶剂与新型锂盐、离子液体、添加剂等方面, 凝胶电解质与固态电解质也是未来发展的方向. 而以固态电解质为关键特征之一的全固态电池在安全性、寿命、能量密度及系统集成技术等都具有潜在的优异特性, 也是未来动力电池和储能电池领域发展的重要方向 [96] . /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/58812389-5862-4e1d-a7b7-b4dc7b4fc4d9.jpg" title=" 8.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图 6 SiMP负极PR-PAA黏结剂的应力释放机理 [88] .& nbsp /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " (a) 减小提起物体用力的滑轮机理 (b) PR-PAA黏结剂用于缓解因硅颗粒充放电过程中体积变化而产生应力的示意图 (c) 充放电过程中PAA-SiMP电极破碎和生成SEI膜的示意图 (网络版彩图) /span /p p 　　3.4 隔膜 /p p 　　目前, 商品化锂离子动力电池中使用的隔膜材料主要是微孔的聚烯烃类薄膜, 如聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)的单层或多层复合膜.聚烯烃类隔膜材料由于其制造工艺成熟、化学稳定性高、可加工性强等优点在一段时间内仍然是商品化隔膜材料的主流, 尤其是PE的热闭孔温度对抑制电池中某些副反应的发生及阻止热失控具有重要意义.发展基于聚烯烃(尤其是聚乙烯)隔膜的高性能改性隔膜材料(如无机陶瓷改性隔膜、聚合物改性隔膜等),进一步提高隔膜的安全特性和电化学特性仍将是隔膜材料研发的重点 [18] . /p p 　　最近, 本课题组 [97] 通过使用耐高温的聚酰亚胺做黏结剂将纳米Al 2 O 3 涂覆在商业PE隔膜单层表面将隔膜的热稳定性提高到了160℃. 本课题组 [98] 还在前期开发的SiO 2 陶瓷隔膜的基础上, 在其表面和孔径间原位聚合包覆上一层耐高温的聚多巴胺保护层, 如图7所示, 使隔膜在230℃高温下处理30min, 不但不收缩并且保持良好的机械性能, 可以有效保障电池安全. l’Abee课题组 [99] 以耐热性的聚醚酰亚胺树脂为基材, 将其用NMP加热溶解后重新浇铸成膜, 得到的聚醚酰亚胺隔膜, 其热稳定性可达到220℃.随着锂离子电池在电动汽车等领域的应用, 建立隔膜构造、隔膜孔径尺度与分布的有效调控方法, 以及引入电化学活性基团等使聚烯烃隔膜多功能化, 将是隔膜发展的重要方向. 针对耐热聚合物隔膜等的研发及产业化工作也将得到大力推进. /p p 　　综上所述，锂离子动力电池关键材料的发展趋势将如图8所示, 正极材料向高电压、高容量的趋势发展 负极则以发展硅碳复合材料为主, 通过发展新型黏结剂和SEI膜调控技术使得硅碳复合负极材料真正走向实际应用 电解液近期内将以发展高电压电解液和高环境适应性电解液材料为主, 中远期则将以固态电解质材料为发展目标 多种材料复合且结构可控的隔膜材料将是锂离子动力电池隔膜的重点发展方向. /p p strong 　　4 锂离子动力电池的关键技术和基础科学问题 /strong /p p 　　4.1 锂离子动力电池的关键技术 /p p 　　锂离子动力电池是一个复杂的系统, 单一部件、材料或组分的优化未必对电池整体性能的改善有突出效果 [100] . 发展面向电动汽车的高比能量、低成本、长寿命、安全性高的动力电池, 需对锂离子动力电池体系的关键技术予以重点关注, 解决在最终应用过程中影响性能的制约因素. /p p 　　4.1.1 正极、负极材料等的选择及匹配技术 /p p 　　锂离子动力电池的寿命、安全性和成本等基本性能很大程度上取决于其电极材料体系的选择和匹配. 因此如何选择高比能量、长寿命、高安全、低成本的材料体系是当前锂离子动力电池的重要技术. /p p 　　4.1.2 动力电池安全性 /p p 　　安全性是决定动力电池能否装车应用的先决条件 /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/a49c15af-1975-4d11-bfe5-e1f5440c1331.jpg" title=" 9.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　.图 7 包覆上耐高温聚多巴胺保护层的SiO 2 陶瓷隔膜 [98] .& nbsp /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " (a) 隔膜结构及合成示意图 (b) 隔膜形貌表征 (c) 隔膜热收缩性能对比(网络版彩图) /span /p p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/35ce98d1-12c4-439a-b44f-0aa5561115de.jpg" title=" 10.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图 8 锂离子动力电池关键材料技术现状及发展趋势总结(网络版彩图) /p p 　　随着锂离子电池能量密度的逐步提升, 电池安全性问题无疑将更加突出. 导致锂离子电池安全性事故发生的根本原因是热失控, 放热副反应释放大量的热及有机小分子气体, 引起电池内部温度和压力的急剧上升 而温度的急剧上升反过来又会呈指数性加速副反应,产生更大量的热, 使电池进入无法控制的热失控状态,导致电池终发生爆炸或燃烧 [101,102] . 高比能的NCM和NCA三元正极、锰基固熔体正极均较LFP材料的热稳定性差, 使人们在发展高能量密度动力电池的同时不得不更加关注安全问题 [103] . 解决电池安全性问题至少需要从两方面着手: (1) 防止短路和过充, 以降低电池热失控的引发几率 (2) 发展高灵敏性的热控制技术,阻止电池热失控的发生 [104] . /p p 　　4.1.3 电池制造工艺 /p p 　　随着动力电池应用的不断加深, 单体电池向着大型化、易于成组的方向发展. 在这一过程中, 单体电池的制造技术尤为重要. 提高产品一致性, 从而使电池成组后的安全性、寿命更高, 使其制造成本更低将是未来锂离子电池制造工艺的发展方向. (1) 开发生产设备高效自动化技术, 研发高速连续合浆、涂布、辊切制片、卷绕/叠片等技术, 可以降低生产成本 (2)开展自动测量及闭环控制技术研发, 提高电池生产过程测量技术水平, 实现全过程实时动态质量检测, 实现工序内以及全线质量闭环控制, 保证产品一致性、可靠性 (3) 建立自动化物流技术开发, 实现工序间物料自动转运, 减少人工干预 (4) 开展智能化生产控制技术研发, 综合运用信息控制、通讯、多媒体等技术,开发有效的生产过程自动化控制及制造执行系统, 最大程度地提高生产效率, 降低人工成本. /p p 　　4.2 锂离子动力电池的基础科学问题 /p p 　　4.2.1 研究电极反应过程、反应动力学、界面调控等基础科学问题 /p p 　　目前, 元素掺杂、包覆等方法被广泛应用于材料改性, 但究其原因往往“知其然不知其所以然”, 如LFP可以通过异价锂位掺杂显著提高电子导电性, 但其究竟是晶格掺杂还是通过表面渗透还存在争议. 另外,一般认为LFP较低的电子导电性和离子扩散特性是导致倍率特性不佳的主要原因, 但研究表明, 锂离子在电极/电解液界面的传输也是影响LFP倍率特性的重要因素. 通过改善界面的离子传输特性, 可以获得更好的倍率特性. 因此深入研究电极上的表面电化学反应的机理, 尤其是关于SEI膜的形成、性质以及电极与电解液的相互作用等, 可以明确材料的结构演化机制和性能改善策略, 为材料及电池性能的改善提供理论指导 [6] . /p p 　　4.2.2 发展电极表界面的原位表征方法 /p p 　　锂离子电池电极材料的性能主要取决于其组成及结构. 通过原位表征技术系统研究材料的组成-结构-性能间构效关系对深入了解电极材料的反应机理,优化材料组成与结构以提高其性能及指导高性能新材料开发与应用均有十分重要意义 [105,106] . 例如, 原位Raman光谱可以通过晶格(如金属-氧配位结构)振动实时检测材料的结构变化, 为找寻材料结构劣化原因提供帮助 [107~109] . 同步辐射技术不仅可通过研究电极材料中原子周围化学环境, 获取电极材料中组成元素的氧化态、局域结构、近邻配位原子等信息, 还可原位获得电池充放电过程电极材料的结构演化、过渡金属离子氧化态以及局域结构变化等信息, 精确揭示电池反应机理 [110,111] 固体核磁共振谱(NMR)则可提供固态材料的局域结构信息, 得到离子扩散相关的动力学信息 [112,113] . /p p strong 　　5 结论 /strong /p p 　　锂离子动力电池是目前最具实用价值的动力电池, 近几年在产业化方面发展迅速, 有力地支撑了电动汽车产业的发展. 然而, 锂离子动力电池仍然存在许多有待解决的应用问题, 特别是续航能力、安全性、环境适应性和成本, 需要在动力电池基础材料、电池制造和系统技术全产业链上同时进行研究. 可以预期相关技术将在近年内取得长足进步并实现规模应用.随着电动汽车的快速发展, 锂离子动力电池将迎来爆发增长的黄金期. /p p style=" text-align: right " 　　 strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　作者：刘波(厦门大学) 张鹏 赵金保 /span /strong /p p 　　 /p p br/ /p

手机爆炸、电动汽车行驶或充电过程中的火灾事故在生活中经常可见，让人们在享受锂电池带来的便利的同时，也担心其在安全方面的重大问题。如何降低这一风险？近日，中国科学技术大学教授孙金华、研究员王青松团队与暨南大学教授郭团团队研制出一款可植入电池内部的高精度光纤传感器。相关研究成果日前在线发表于《自然-通讯》。“这款高精度光纤传感器可以在1000摄氏度的高温、高压环境下正常工作，同步测量出电池热失控全过程内部温度和压力，为快速切断电池热失控链式反应提供预警手段。”王青松向《中国科学报》介绍。破解国际性科学难题手机、笔记本电脑、电动自行车、电动汽车中都有一个关键部件——锂离子电池。随着全球范围内能源危机的出现、“双碳”目标的驱动，锂离子电池产业迅速发展。然而，锂离子电池常常会发生爆炸，也就是热失控，这是威胁电池安全的“癌症”，是制约电动汽车与新型储能规模化发展的瓶颈。研究表明，电池热失控源于电池内部一系列复杂且相互关联的“链式反应”。“这可以从电池内部和外部两方面讨论。从内部来看，电池由正负极、电解液、隔膜等组成，其中电解液和隔膜都是易燃物，正负极和电解液在一定温度下又会产生化学反应，进而产生热量和可燃气体。也就是说，电池内部本身就是一个热不稳定的体系。”王青松说。从外部来看，电池在使用过程中容易出现各种外部滥用：电滥用，如过充、过放等；热滥用，如高温、局部发热等；机械滥用，如撞击、挤压等。这些外部滥用会造成电池内部材料发生一系列连锁化学反应，电池内部温度快速提升，最高可达800摄氏度，导致电池起火或爆炸。如何科学、及时、准确地预判电池安全隐患，是当前电池安全领域的国际性科学难题。为攻克这一难题，研究团队提出一种可植入电池内部的高精度光纤传感器，在国际上率先实现对商业化锂电池热失控全过程的精准分析与提早预警。《自然-通讯》的一位审稿专家评价道，“该研究有助于电池健康状态监测，并在不可逆损害前发出预警信号。”小巧光纤实时监测电池健康状态将光纤植入电池，并非王青松等人首创。因光纤传感器具备体积小、重量轻、耐受高温高压、耐受电解液腐蚀等优势，前人将其植入电池。但他们主要测量的是电池循环过程中的内部参数，从未涉足电池热失控监测领域。于是，王青松等人想将光纤植入电池内部，以监测电池热失控过程，并探索电池内部参数能否为电池热失控预警提供新思路。研究思路有了，做起来却非常难，因为现有的大多数光纤传感器无法在热失控过程中“幸存”。王青松解释说，电池热失控过程中，内部压力高达2MPa、温度高达500至800摄氏度，在这种高温高压的冲击下，光纤信号会中断，无法测得电池内部温度和压力数据。研究的关键是开发一款“健壮”的光纤传感器。他们与郭团团队联合攻关，多次改进光纤结构，开展热失控实验，反复修改和验证，最终通过对光纤进行套管保护，在保证内部信号传输的同时解决了光纤容易断的难题。“这款高精度光纤传感器总长度12毫米、直径125毫米，能够植入商业18650电池，实时监测电池热失控期间的内部温度和压力影响。”王青松向《中国科学报》介绍了光纤传感器的结构。相比现有的外部监测技术，内部光纤传感技术更具有及时性、灵活性。“就好比人们患病，当感知到疼痛时，往往为时已晚。这就像电池外部特征的变化一般都是滞后的。”王青松解释道，“而去医院体检，可以通过CT等看到内部器官变化，从而预知疾病的发生，并通过治疗手段阻止疾病进一步发展。但这种大型设备体积庞大，无法随时随地监测内部状态变化。如果在人体内植入芯片，就可以做到实时跟踪预警。就像在电池内部植入光纤传感器，可以做到实时监测预警。”值得一提的是，该研究通过解析压力和温度变化速率，首次发现温度和压力变化速率的转变点可作为电池热失控早期预警区间。该发现适用于不同电量的电池，能够在电池内部发生“不可逆反应”之前发出预警信号，保证了电池后续的安全使用。用于同时监测电池内温度和压力的FBG/FPI传感器工作原理适合大规模推行量产在王青松看来，光纤传感器尺寸小、形状灵活，具有抗电干扰性和远程操作的能力和适合大规模生产的标准制造技术，并且可以实现一根光纤在电池的多个位置同时监测温度、压力、气体组分、离子浓度等多种关键参数。光纤传感技术与电池的结合将在新能源汽车、储能电站安全监测等领域发挥重要作用。为此，研究团队将探索光纤传感器在大容量储能电池中的应用。“大容量储能电池热失控相比此次研究中的18650电池更加剧烈，并且其热失控特性和机理与小电池有所差异，这将是对我们研究的进一步考验。”王青松说。另一方面，团队将与电池制造商合作，希望在电池制作过程中植入光纤传感器，避免对电池二次破坏，加快光纤传感在储能和新能源汽车电池管理系统中的应用进程。相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40995-3