鋰離子電池（LIBs）和氫燃料電池（HFCs）正推動向更清潔能源的轉變，為從電動汽車到工業應用的各領域提供電力。這些技術對于提供可持續電力至關重要。預計全球對電池的需求將激增。2020年，全球電池儲存的能量能夠為1.85億個家庭提供一小時的電力。而到2030年，該數字預計將增長到超過20億個家庭，即增長10倍以上。個人汽車、商用卡車和公共交通對能源儲存的需求不斷增加，推動了全球電池需求的激增，從而使電池材料的研發變得比以往任何時候都更為重要。
盡管已經取得一些進步，但鋰離子電池和燃料電池技術仍面臨挑戰。這些挑戰包括安全性和可靠性問題、可持續性問題、原材料的提取、續航能力有限以及充電時間過長。目前的重點是開發新型材料配置，以應對更高的電荷密度，提供更高的熱穩定性、更高的可持續性以及更實惠的價格。這就意味著下一代電池與燃料電池的研發將迎來巨大發展機遇，到2024年，對電池儲能領域的投資將超過500億美元。
聚焦材料開發
新技術的研發往往需要對現有材料進行細微但關鍵的改良。例如，研究人員正嘗試將多種鋰過渡金屬氧化物用作電池正極材料，并重點研究其納米結構并優化制備工藝。在該領域的諸多研究中，研究人員需要對材料進行細微調整，繼而觀察這些細微調整如何影響材料的基本性能。這正是熱分析（TA）技術發揮關鍵作用之處。
采用熱分析技術分析材料特性
材料熱分析涵蓋廣泛的范疇，通過不同儀器可測量多種特性。例如：
- 差示掃描量熱法（DSC）通過測量熱流來測定材料的關鍵性能參數，包括玻璃化轉變、熔融、結晶、熱容、結晶度及熱穩定性等特性，而這些特性對隔膜和電解質的研發至關重要。
- 熱重分析（TGA）可提供材料在惰性和氧化環境中的水分含量、殘留溶劑、特定溫度下釋放的成分含量以及熱穩定性等重要信息，這些信息對電池各部件的研發具有關鍵指導價值。
- 同步熱重分析（STA）同時結合了差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA）技術，可同步測定熱流和重量變化，為電池材料的熱行為特征提供全面解析。
- 熱機械分析（TMA）測量材料在不同溫度下的熱膨脹和收縮，這對評估電池隔膜至關重要。
- 動態熱機械分析（DMA）測量材料在不同頻率下的粘彈性能，這對電池材料研究至關重要。
這些技術有助于研究人員了解和改進電池材料
電池組件放熱行為的差示掃描量熱法（DSC）示例
下圖闡明了如何使用DSC測量電解液和正極材料的放熱行為，從而確定其熱穩定性。使用同步熱重分析（STA）和Real View®測試隔膜熱穩定性的示例
使用STA對純聚乙烯隔膜的熱穩定性進行測試，結果顯示在450°C時發生了一次熱分解。由于樣品質量較小（0.056 mg），觀察到輕微的基線波動。Real View®圖像證實，在測量過程中，這些波動是由于材料在樣品盤中移動和形狀改變而造成的。比較各種隔膜熱膨脹性的熱機械分析（TMA）示例
TMA曲線圖顯示了各種隔膜在拉力作用下的熱膨脹情況。純聚乙烯隔膜（綠色）的膨脹和收縮最大，而氧化鋁涂層隔膜（紅色）的膨脹和收縮最小。芳綸涂層隔膜（藍色）的收縮溫度最高，表明其形狀保持能力優于其他兩種隔膜。某些雜質的存在會使研究結果出現偏差，導致結果不一致和材料特性異常。熱分析可以顯示聚合物樣品中是否存在其他材料，由于這些材料的熱特性就像指紋一樣，因此可以準確地提供其他材料的信息。
結論
電池材料的進步對未來可持續能源的發展至關重要。通過運用熱分析技術，制造商能夠開發出滿足現代應用提出的嚴苛要求的材料，從而確保安全性、可靠性與高效性。熱分析技術能為材料特性提供關鍵洞察，幫助操作人員優化生產工藝、提升產品質量并降低成本。對先進的熱分析工具進行投資不僅能夠推動創新，還能讓制造商在快速發展的能源領域獲得競爭優勢。
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