電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能市場(chǎng)的快速發(fā)展，對(duì)鋰電池的安全性、能量密度實事求是、功率密度、可靠性和循環(huán)壽命等性能要求不斷提高高效化。而鋰電池的性能收到諸多因素的影響深入，不僅包括電池設(shè)計(jì)、原料關註度、工藝橫向協同、設(shè)備精度等方面，還包括環(huán)境因素敢於挑戰，如溫度不斷創新、濕度和潔凈度，即使少量的雜質(zhì)也會(huì)對(duì)電池的穩(wěn)定性和安全性造成不利影響提供了遵循。因此參與水平，必須高度重視生產(chǎn)過(guò)程，嚴(yán)格控制質(zhì)量服務效率。

水分含量是質(zhì)控的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)明確相關要求，水分含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致一系列的副反應(yīng)，如與電解質(zhì)鋰鹽發(fā)生反應(yīng)生成HF統籌發展，腐蝕電池內(nèi)部的金屬零部件深化涉外，HF還會(huì)與SEI膜發(fā)生反應(yīng)追求卓越，產(chǎn)生LiF沉淀，使電池發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)參與能力，降低電池的能量合理需求，同時(shí)產(chǎn)生氣體，使電池內(nèi)部壓力變大研究，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致電池鼓脹高效，甚至漏液。

商業(yè)化鋰電池在嚴(yán)格控制環(huán)境水分的大型干燥間內(nèi)生產(chǎn)提高，所有部件在組裝前都要進(jìn)行干燥機構，電池極片中殘留的水分含量較低，一般為幾百ppm交流，通常采用卡爾費(fèi)休方法測(cè)試基礎，這種方法需要先將樣品加熱使水分充分蒸發(fā)后，再通過(guò)與試劑反應(yīng)進(jìn)行測(cè)定還不大，為了避免干擾高產，需要控制加熱蒸發(fā)的溫度，僅使極片中的游離水揮發(fā)發揮作用，即此方法只能測(cè)試極片中的游離水含量良好。

而實(shí)際上電池材料中除了游離水，還可能有結(jié)合水或反應(yīng)產(chǎn)生的水銘記囑托，這些水也可能導(dǎo)致電池材料發(fā)生副反應(yīng)引領，但是這些水產(chǎn)生的溫度通常高于游離水揮發(fā)的溫度，而且不同材料生成水的溫度可能不同示範，所以無(wú)法通過(guò)卡爾費(fèi)休方法測(cè)定應用前景。

熱重法可以通過(guò)質(zhì)量變化直接測(cè)試水含量。結(jié)合質(zhì)譜聯(lián)用運行好，除了游離水首次，還可以觀察到不同種類水的釋出情況及其他氣體的釋出，甚至可以進(jìn)行逸出氣體的定量分析部署安排，對(duì)于全面深入了解電池材料/極片的性能搖籃，有非常重要的意義。本文將分別介紹用熱重測(cè)試電池極片中的游離水推廣開來，及用熱質(zhì)聯(lián)用分析電池中不同類型的水深入。

測(cè)試采用耐馳同步熱分析儀STA449F5，單熱重支架重要的，氬氣氣氛大面積，為了避免溫度過(guò)高導(dǎo)致其他反應(yīng)，此處僅加熱至80℃恒溫至失重完成問題分析。

考慮到極片含水量很低培養，為了確保測(cè)試結(jié)果的可靠性交流研討，需要加大樣品量（熱分析常規(guī)樣品量為毫克量級(jí)），且水分需要通過(guò)極片表面釋出形式，所以需要保證盡量大的樣品表面積建設應用。此處選用耐馳同步熱分析儀的大尺寸平臺(tái)坩堝，采用卷繞的方式裝樣日漸深入，樣品量為2600mg左右動力，如下圖1所示。

圖1 極片卷繞裝樣

圖2為兩次樣品重復(fù)測(cè)試的結(jié)果互動式宣講，至第40min時(shí)效高性，曲線基本走平，說(shuō)明游離水揮發(fā)充分自動化，得到含水量約為140ppm提升，換算成絕對(duì)失重量為360mg左右。

圖2 極片重復(fù)測(cè)試結(jié)果

電池材料中除了游離水不折不扣，在更高溫度下還可能釋出結(jié)合水或反應(yīng)生成水支撐能力，同時(shí)，溫度升高還可能伴隨其他反應(yīng)的發(fā)生及氣體的釋出高效利用，如O2或者CO2特征更加明顯，O2的釋出會(huì)加速電池內(nèi)部材料的反應(yīng)，導(dǎo)致溫度和壓力迅速升高講理論，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致電池的燃燒和爆炸的可能性，即熱失控，因此為了全面了解電池材料性能市場開拓，有必要研究更高溫度下電池材料釋出H2O及其他氣體的情況措施。

測(cè)試采用耐馳同步熱分析儀STA449F5與四極桿質(zhì)譜聯(lián)用QMS403 Quadro大大縮短，單熱重支架要落實好，氬氣氣氛，從室溫加熱至600℃更默契了。QMS采用跟蹤模式先進技術，電離模式為EI源、70eV說服力，為了避免逸出氣體冷凝搶抓機遇，聯(lián)用接口和傳輸管道加熱溫度分別為350℃、360℃表示。

圖3為2種正極材料的測(cè)試結(jié)果對(duì)比全面闡釋，其中紅色曲線為1#樣品，藍(lán)色曲線為2#樣品競爭力所在，實(shí)線為質(zhì)量變化曲線引人註目，虛線為質(zhì)譜測(cè)試到的H2O（m18）信號(hào)領域。2個(gè)樣品釋出H2O的溫度區(qū)間差別較大，1#樣品游離水揮發(fā)的信號(hào)（峰值82.4℃）較弱好宣講，H2O的釋出主要集中在400℃后註入新的動力，反應(yīng)生成的水占比較大。2#樣品水的釋出主要集中在300℃前，150℃前主要為游離水雙重提升，200℃左右為結(jié)合水和/或反應(yīng)水，其中游離水的占比較大事關全面。

圖3 兩種正極材料的失重及釋水過(guò)程對(duì)比

以2#樣品為例表現明顯更佳，展示其他逸出氣體的釋出情況及氣體定量分析結(jié)果。如圖4所示規模，綠色曲線為TG穩定發展，紅色、藍(lán)色和紫色虛線分別為H2O（m18）聯動、CO2（m44）和O2（m32）的質(zhì)譜信號(hào)增持能力，H2O的釋出主要集中在前2個(gè)階段，CO2的釋出主要在后兩個(gè)階段行業內卷，O2的釋出主要在第3個(gè)階段追求卓越，至600℃時(shí)反應(yīng)逐漸減慢，TG趨于平穩(wěn)參與能力。

圖4 2#正極材料釋出氣體定量分析

定量分析根據(jù)氣體產(chǎn)生的信號(hào)峰面積與氣體的量成正比關(guān)系合理需求，通過(guò)已知量的標(biāo)氣計(jì)算對(duì)應(yīng)氣體的含量。水的定量采用CaC2O4*H2O作為標(biāo)樣充分發揮，CO2和O2的定量通過(guò)PTA分別注入500uL對(duì)應(yīng)的標(biāo)氣高質量，通過(guò)計(jì)算得到H2O、CO2和O2的含量分別為2.041mg選擇適用、2.266mg和0.723mg管理，其中游離水約占總水量的50%，約為1000ppm薄弱點，大于常規(guī)電池正極材料的含水量要求覆蓋範圍。

通過(guò)以上分析可知，1#樣品中游離水含量較低積極性，釋出的水主要來(lái)自某些組分的反應(yīng)產(chǎn)物奮勇向前，而2#樣品中游離水含量較多（約為1000ppm），需要考慮改善2#樣品材料的配方/加工（烘烤）工藝實施體系，盡量降低游離水含水量組建。

通過(guò)熱重方法可以直接測(cè)定微量揮發(fā)組分的含量，為了得到準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，除了加大樣品量重要的意義，還需要盡量增大樣品的表面積快速增長，使揮發(fā)組分可以順利逸出。

利用同步熱分析儀+質(zhì)譜聯(lián)用占，可以監(jiān)測(cè)樣品中不同種類水的釋出過(guò)程高質量，為工藝改進(jìn)提供依據(jù)。除了水激發創作，質(zhì)譜還可以檢測(cè)其他氣體的逸出前景，如CO2和O2。還可以通過(guò)定量分析增幅最大，得到不同氣體的含量共享應用，有利于全面了解材料性能，為改進(jìn)電池配方標準、確保電池安全性提供依據(jù)示範推廣。

作者

王榮

耐馳儀器公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室