基于锥形量热仪的锂离子电池电解液的火灾危险性研究

发布时间：2020-06-04 06:02

【摘要】：锂离子电池通常采用高温下易燃的碳酸酯作为电解液溶剂,具有较高的火灾风险,因此开展针对锂离子电池电解液的火灾危险性研究对于预防锂离子电池火灾具有十分重要的研究意义。为此,本论文以锥形量热仪为主要研究手段,对常用的锂离子电池电解液溶剂的燃烧特性进行了分析,并探讨了溶质、正极材料、阻燃添加剂等对其燃烧特性的影响。在此基础上,借助火灾危险综合指数(IFHI)和闪燃特性指数对锂离子电池电解液的火灾危险性进行了评估。单一锂离子电池电解液溶剂的测试结果表明:环状碳酸酯的总放热量和热释放速率峰值明显低于链状碳酸酯,其中碳酸乙烯酯(EC)的最低。将几种溶剂复配后形成的二元或三元混合溶剂的测试结果表明:环状碳酸酯可抑制链状碳酸酯热释放速率峰值,但达热释放速率峰值加快。进一步考察了LiPF_6溶质以及典型正极材料对锂离子电池电解液溶剂的燃烧特性的影响,结果表明:LiPF_6溶质的加入使得电解液的热释放速率和总放热量明显增加,而正极材料与电解液共存时,电解液达到热释放速率峰值时间和点燃时间加快,且热释放速率和总放热量增加。以锥形量热仪测试数据为基础,利用火灾危险综合指数(IFHI)和闪燃特性指数对锂离子电池电解液的火灾危险性进行了评估,结果表明:锂离子电池电解液溶剂本身火灾风险性较高,且随着溶质LiPF_6的加入或电解液与正极材料的接触都会使其火灾危险性显著增强。论文最后选取了几种典型的阻燃添加剂碳酸三乙酯(TEP)、甲基膦酸二甲酯(DMMP)、二氟乙酸甲酯(MFA)和双(2,2,2-三氟乙基)乙基磷酸酯(TDP),考察了其对锂离子电池电解液燃烧性能的影响,测试结果表明阻燃添加剂能明显降低锂离子电池电解液的热释放速率和总放热量,但火灾危险综合指数(IFHI)和闪燃特性指数的分析结果表明:添加阻燃剂的电解液火灾危险性虽然有明显下降,但风险仍然较大。进一步与典型甲、乙、丙类易燃液体(乙醇、煤油、乙二醇)相应指数对比的结果表明,加入这几种阻燃添加剂的锂离子电池电解液的火灾危险性基本接近于乙类,依然具有较高的火灾风险。
【图文】：

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第 2 页上海应用技术大学硕士学位论文大主要结构及内部其它连接材料组成。锂离子电池在充电时，锂离子（Li+）从正极经过电解液移动到负极；而锂离子电池在放电[9-10]时，Li+从负极经过介质移动到正极或锂离子在移动过程中使正极的锂离子过多的状态。在整个充电和放电循环期间，Li+在两个电极之间嵌入和脱嵌，即锂离子电池的充电和放电过程。在锂离子电池的组分中，电解液起着至关重要的作用，它作为锂离子运输的介质，也影响着充电的电容和到达负极的锂离子的数量。一般而言电容越大则容量越多，火灾危险性越强，因此电解液是电池的热安全的重要影响因素。电解液通常使用溶质（锂盐）、高电常数低粘度的有机溶剂在无水情况下进行制备。图 1.1 为锂离子电池的结构示意图。

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上海应用技术大学硕士学位论文第 3 页锂离子电池的隔膜目前以聚烯烃微孔膜为主[14]。聚烯烃有良好机械性能和热稳定性能，能为电池隔膜加工及组装提供合适的机械强度和较适宜的闭孔温度，且能提供必要的闭孔关断功能，，降低电池安全隐患。但是聚烯烃在一定温度下会熔融，改变隔膜尺寸、形状甚至破损，引起电池短路，因此增大电池隔膜自闭温度和提高熔融温度差，可以一定程度降低危险性。近年来，研究者提出了纳米纤维无纺布材料，可以制备出适合锂离子电池的无纺布隔膜。1.1.3 锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理[15]大致如下：充电时，Li+从正极经过电解液，透过隔膜移动到负极；放电时，Li+从负极经过电解液，再透过隔膜到达正极。图 1.2为锂离子电池的工作原理示意图，电极反应见式（ 1.1 ） ~ （ 1.5 ）。
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O646.1;TM912

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