H.E.L 锂离子电池固态聚合物电解质研究—BTC-500 大电池测试绝热加速量热仪

固体聚合物电解质（Solid Polymer Electrolyte, SPE） 是一种以高分子聚合物为基体，通过溶解锂盐（如LiTFSI、LiPF?等）形成的离子导电材料，不含任何液态溶剂，在室温或高温下允许锂离子迁移，实现电荷传输功能。常见聚合物基体包括：聚氧化乙烯（PEO）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物（如PVDF-HFP）。

随着电动汽车、可穿戴设备和储能系统的发展，对高能量密度、高安全性电池的需求日益迫切。当前锂离子电池主要使用液态有机电解质，存在以下问题：

l易燃、易泄漏，存在热失控风险；

l与锂金属负极兼容性差，易形成锂枝晶，导致短路甚至爆炸；

l难以适配高压正极材料（如LiCoO?、NCM等），限制能量密度提升。

因此，固态化成为电池技术发展的关键路径之一，其中固体聚合物电解质因其柔性、可加工性强、界面接触性好，成为研究热点。另外固态电解质无液态溶剂，避免泄漏与燃烧风险，提升电池热稳定性和安全性。

固体聚合物电解质是实现下一代高能量密度、全固态锂电池的关键材料，其研究不仅有助于提升电池安全性和能量密度，还为柔性电子、微型电源等新兴应用提供技术支撑。然而，室温导电性、界面稳定性与机械强度之间的平衡仍是当前亟需突破的核心瓶颈。

案例：原位梯度聚合与相分离的协同作用助力实用型高镍含量固态锂离子电池研究

Zhang, H., Zhang, Y., Du, X., Ge, X., Yuan, Z., Zhang, S., Wang, D., Lv, Z., Zhou, X., Zhang, J., & Cui, G. (2025). The Synergy Between In Situ Gradient Polymerization and Phase Separation Enables Practical Solid-State Ni-Rich Lithium-Ion Batteries. Advanced Materials, e07621. 

背景: 随着电动汽车和便携式设备的快速发展，对高性能锂离子电池的需求日益增加。然而，传统的液态锂离子电池存在安全性差和能量密度低的问题。固体聚合物电解质（SPE）因其安全性高、柔韧性好、成本效益高以及与大规模制造工艺的兼容性而备受关注。然而，传统的SPE由于离子电导率低和对高电压正极材料的稳定性差，难以满足高能量密度电池的需求。

研究方法：本研究通过原位梯度聚合和相分离的协同作用，开发了一种与高镍含量正极材料（NCM811）兼容的固体聚合物电解质（SPE）。

l研究者通过原位梯度聚合一种深共熔电解质（DEE）来制备SPE。

l选择了1,3,5-三氧杂环己烷（TXE）作为醚基单体，因为它具有最低的碳氧比（C/O比），有助于提高氧化稳定性和离子传输性能。

l通过将TXE与琥珀腈（SN）和锂盐混合，制备了DEE，并通过原位聚合生成了SPE。

l使用分子动力学模拟、拉曼光谱、凝胶渗透色谱（GPC）、动态剪切流变学、原子力显微镜（AFM）和压缩测试等技术对SPE的结构和性能进行了表征。

实验结果：

l制备的SPE在室温下具有1.5×10^-3 S cm^-1的高离子电导率，接近于DEE本身的电导率。

lSPE的锂离子扩散系数为9.284×10^-11m² s^-1，与DEE中的锂离子扩散系数相近。

l通过原位聚合，SPE在高负载NCM811正极材料中形成了快速的锂离子传导通道，并在电极颗粒表面形成了均匀的保护层。

l电池测试结果显示，使用SPE的高负载NCM811||石墨全电池在200个循环后保持了85.3%的高容量保持率，并且展现出优异的倍率性能。

l工业化的1.2Ah NCM811||SiOx软包电池实现了382 Wh kg^-1的高能量密度。

l此外，SPE在滥用条件下展现出显著提高的安全特性，热失控的起始温度从157℃延迟到266℃，热失控温度从198℃延迟到312℃。

结论：

l原位梯度聚合和相分离的协同作用为开发与高镍含量正极材料兼容的SPE提供了一种通用且实用的方法。

l这种SPE不仅提高了电池的能量密度，还显著增强了电池的安全性。

l该研究为高性能、高安全性固态锂离子电池的发展提供了新的思路和方法。

现象和观点

l文章指出，传统的SPE由于其前驱体的流动性有限，在高负载正极材料中难以建立有效的锂离子扩散路径，限制了电池能量密度的发挥。

l通过原位聚合，可以有效渗透高容量正极材料，确保理论容量的充分利用。

l文章还强调了SPE在高电压正极材料中的应用潜力，尤其是在提高电池循环寿命方面的重要性。

l通过分子动力学模拟和实验结果，文章揭示了SPE中锂离子的溶剂化结构和传输机制，为理解SPE的高性能提供了理论支持。

绝热热失控实验：

l设备：使用HEL BTC-500绝热加速量热仪

l将100% 状态荷电（SOC）的NCM811||P-DEE||SiO_x软包电池放置在BTC测试设备中。

l测试模式：采用热-等待-搜索（Heat-Wait-Search, HWS）模式进行测试。

l温度记录：记录电池在测试过程中的温度变化，特别是热失控起始温度（T1）和热失控温度（Ttr）。

l结果分析：通过对比使用P-DEE电解质和传统液态电解质的电池，分析热失控温度的延迟情况。

l实验结果显示，使用P-DEE电解质的电池将热失控起始温度从157℃延迟到266℃，热失控温度从198℃延迟到312℃，显著提高了电池的安全性。 

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在化学反应安全评估与新能源电池安全测试领域，H.E.L凭借其卓越的技术实力与市场领先地位，已成为全球客户的首选合作伙伴。我们的BTC系列产品以卓越的性能和可靠性，赢得了市场的广泛认可，市场占有率稳居行业第一。无论是新能源电池行业（动力电池、储能电池）还是化学工艺安全评估领域，H.E.L都以其专业的技术与服务，为客户提供精准、高效的解决方案。

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