鋰電池電解液點(diǎn)燃速率檢測(cè)方法研究*

文/邵丹

0 引言

為滿足鋰電池用電解液安全性檢測(cè)的需要，本文提出以玻璃長(zhǎng)纖維束為燃燒載體，選擇以電解液的點(diǎn)燃速率為量化參數(shù)，對(duì)兩種鋰電池電解液的燃燒性能進(jìn)行比對(duì)研究。該方法對(duì)設(shè)備要求不高，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單易操作、測(cè)試快速，能夠滿足鋰電池用電解液安全性檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)管的工作要求。

1 鋰電池用電解液性質(zhì)概述

電解液作為鋰電池的關(guān)鍵組成材料之一，一直是研究者們考慮電池安全性隱患的著眼點(diǎn)。鋰電池用電解液大多數(shù)為高活性有機(jī)易燃物，當(dāng)電池產(chǎn)生熱量速度大于散熱速度時(shí)，就有可能出現(xiàn)安全性問(wèn)題從而引發(fā)安全事故。同時(shí)，當(dāng)鋰電池用電解液遇到濫用情況時(shí)，電池內(nèi)部電解液會(huì)在電極表面形成的固體電解質(zhì)界面膜分解，導(dǎo)致電解液在電極材料表面分解放出大量熱量致使電池溫度升高，是引發(fā)電池?zé)崾Э氐闹匾T因。電池電壓升高時(shí)，貧鋰態(tài)正極材料分解放熱，導(dǎo)致電解液的進(jìn)一步分解，加速電池內(nèi)部熱量積累，加快了電池?zé)崾Э?。目前，商用鋰電池的電解液多為液態(tài)有機(jī)物，存在易燃和流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。當(dāng)鋰電池有異常狀況發(fā)生時(shí)，如擠壓、跌落、重物撞擊等，電池內(nèi)便會(huì)發(fā)生短路，隨即可能產(chǎn)生大電流引起火花，電解液就會(huì)被引燃。

隨著鋰電池用電解液生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，具有耐氧化性、阻燃性等性能的新型功能性電解液不斷被研發(fā)出來(lái)，但是對(duì)于電解液的相關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)方法并未隨之快速補(bǔ)充完善，現(xiàn)行的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)缺乏對(duì)于電解液燃燒性能的檢測(cè)，導(dǎo)致無(wú)法正確、客觀、有效地評(píng)價(jià)新型電解液的安全性能，從而影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2 實(shí)驗(yàn)研究

本次對(duì)比研究提出了以玻璃長(zhǎng)纖維束為燃燒載體，以電解液的點(diǎn)燃速率為量化參數(shù)，對(duì)鋰電池電解液的燃燒性能進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，以期通過(guò)該實(shí)驗(yàn)方法的建立，可以為日后鋰電池用電解液安全質(zhì)量管控、提升產(chǎn)品安全性能提供有效的技術(shù)支撐。

2.1 主要測(cè)試儀器與試劑

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器包括水平/垂直燃燒測(cè)試儀(FTT/UL94)、電子天平（SQP/QUINTIX224-1CN，Sartorious）及玻璃纖維束（總長(zhǎng)20cm，直徑0.5cm）。主要實(shí)驗(yàn)試劑包括高電壓鈷酸鋰電池用電解液（水含量＜10 ppm）；三元高電壓動(dòng)力電池電解液（水含量＜10 ppm）。

2.2 點(diǎn)燃速率的測(cè)定步驟

實(shí)驗(yàn)首先稱取一定質(zhì)量的鋰電池電解液，采用徹底烘干的玻璃纖維束為燃燒載體，將玻璃纖維束浸沒(méi)在電解液中，將吸附有電解液的玻璃纖維束的一端提起，直至無(wú)電解液滴落。其后，再次稱量電解液的質(zhì)量，計(jì)算后得出玻璃纖維束上所吸附的電解液的質(zhì)量。將吸附有電解液的玻璃纖維束置于水平/垂直燃燒測(cè)試儀中，玻璃纖維兩端水平放置并固定，水平/垂直燃燒測(cè)試儀的倉(cāng)體內(nèi)部無(wú)空氣對(duì)流，確保燃燒實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。將玻璃纖維束的任一端點(diǎn)燃，記錄火焰從一端燒到另一端的時(shí)間，代入公式（1）計(jì)算單位質(zhì)量電解液的點(diǎn)燃速率（v）。

式中：

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，以高電壓鈷酸鋰電池用電解液和三元高電壓動(dòng)力電池電解液兩款商用電解液為研究對(duì)象，分別記之為#1和#2。將分別吸附有上述兩款電解液的玻璃纖維束置于無(wú)空氣對(duì)流環(huán)境的水平/垂直燃燒測(cè)試儀中，兩端用鐵架臺(tái)固定住，并保持水平（如圖1（a）所示），用酒精燈將玻璃纖維束的右端點(diǎn)燃（如圖1（b）所示），兩款電解液的燃燒情況（如圖1（c）（d）所示）。當(dāng)燃燒火焰從右端燒到左端時(shí)（如圖1（e）（f）），記錄時(shí)間以及有效燃燒長(zhǎng)度代入式（1），計(jì)算單位重量電解液的點(diǎn)燃速率。

經(jīng)過(guò)5次測(cè)試，#1樣品的單位重量電解液的點(diǎn)燃速率分別為0.625cm/s.g、0.623cm/s.g、0.629cm/s.g、0.631cm/s.g、0.624cm/s.g；#1樣品的5次測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.55%，平均值為0.626cm/s.g。#2樣品的單位重量電解液測(cè)試得出的點(diǎn)燃速率分別為0.453cm/s.g、0.447cm/s.g、0.453cm/s.g、0.453cm/s.g、0.455cm/s.g；#2樣品的5次測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.67%，平均值為0.452cm/s.g。兩種電解液的單位重量的點(diǎn)燃速率測(cè)試相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都小于1%，表明本研究中提出的方法重復(fù)性較好。

單位重量電解液的點(diǎn)燃速率越大，表示電解液越容易被點(diǎn)燃，相應(yīng)的安全性也越低。通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，與#1電解液相比，#2電解液的燃燒安全性更好。可見(jiàn)，本文中提出的測(cè)定鋰電池電解液點(diǎn)燃速率的方法能有效比較不同類型電解液的燃燒安全性能，從而有利于相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員展開(kāi)電池用電解液安全性能評(píng)估預(yù)測(cè)以及新型電解液產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

圖1 電解液燃燒實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3 結(jié)論

本研究以玻璃長(zhǎng)纖維束為燃燒載體，選擇以電解液的點(diǎn)燃速率為量化參數(shù)，建立了鋰電池電解液點(diǎn)燃速率檢測(cè)方法，采用該方法得出結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%，并對(duì)兩種鋰電池電解液的燃燒性能進(jìn)行了比對(duì)研究。該檢測(cè)方法簡(jiǎn)單易操作、測(cè)試快速，能夠滿足鋰電池用電解液安全性檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)管的工作要求。