文/邵丹

0 引言

為滿足鋰電池用電解液安全性檢測的需要，本文提出以玻璃長纖維束為燃燒載體，選擇以電解液的點(diǎn)燃速率為量化參數(shù)，對兩種鋰電池電解液的燃燒性能進(jìn)行比對研究。該方法對設(shè)備要求不高，檢測過程簡單易操作、測試快速，能夠滿足鋰電池用電解液安全性檢測質(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)便會發(fā)生短路，隨即可能產(chǎn)生大電流引起火花，電解液就會被引燃。

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，但是對于電解液的相關(guān)檢驗(yàn)檢測方法并未隨之快速補(bǔ)充完善，現(xiàn)行的檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)缺乏對于電解液燃燒性能的檢測，導(dǎo)致無法正確、客觀、有效地評價(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

本次對比研究提出了以玻璃長纖維束為燃燒載體，以電解液的點(diǎn)燃速率為量化參數(shù)，對鋰電池電解液的燃燒性能進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)，以期通過該實(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 主要測試儀器與試劑

本實(shí)驗(yàn)測試儀器包括水平/垂直燃燒測試儀(FTT/UL94)、電子天平（SQP/QUINTIX224-1CN，Sartorious）及玻璃纖維束（總長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）；三元高電壓動力電池電解液（水含量＜10 ppm）。

2.2 點(diǎn)燃速率的測定步驟

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/垂直燃燒測試儀中，玻璃纖維兩端水平放置并固定，水平/垂直燃燒測試儀的倉體內(nèi)部無空氣對流，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力電池電解液兩款商用電解液為研究對象，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空氣對流環(huán)境的水平/垂直燃燒測試儀中，兩端用鐵架臺固定住，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)間以及有效燃燒長度代入式（1），計(jì)算單位重量電解液的點(diǎn)燃速率。

經(jīng)過5次測試，#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次測試結(jié)果的相對標(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次測試結(jié)果的相對標(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)燃速率測試相對標(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。通過對比可見，與#1電解液相比，#2電解液的燃燒安全性更好。可見，本文中提出的測定鋰電池電解液點(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)人員展開電池用電解液安全性能評估預(yù)測以及新型電解液產(chǎn)品開發(fā)。

圖1 電解液燃燒實(shí)驗(yàn)過程

3 結(jié)論

本研究以玻璃長纖維束為燃燒載體，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)燃速率檢測方法，采用該方法得出結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%，并對兩種鋰電池電解液的燃燒性能進(jìn)行了比對研究。該檢測方法簡單易操作、測試快速，能夠滿足鋰電池用電解液安全性檢測質(zhì)量監(jiān)管的工作要求。