利用DSC/TGA精准评估正极材料热稳定性，筑牢动力电池安全防线
2026-01-13高镍正极材料是现在主流的高比能正极材料，其具备容量高、成本适当等优点。然而，高镍正极材料的热稳定性还有待提升，这很大程度上限制了其使用上限，尤其在电动车、规模储能等领域。目前针对高镍正极材料的热稳定性评价机制尚不明确，也缺乏统一的标准对其进行量度，因此开发统一的、标准化的热稳定性评估机制至关重要。
以差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）及其联用系统为代表的热分析手段，正成为研发高安全、高性能正极材料不可或缺的“眼睛”。
当电池处于满电状态时，正极材料往往处于高氧化态，结构稳定性下降。一旦温度升高，极易与电解液发生剧烈放热反应，触发连锁式热失控。
DSC技术通过精确测量材料在程序升温过程中的热流变化，可快速识别放热起始温度、峰值温度及总放热量。例如图1，对满电态NCM811正极与电解液混合物的测试显示，在220℃左右出现两个明显的放热峰，累计放热量超过2500 J/g——这一数值已足以引发燃烧甚至爆炸。类似地，NCM523负极在266℃和307℃也表现出强烈放热，焓值超1600 J/g。
图1 正极材料热安全性测试
这些数据不仅揭示了材料的热风险等级，还可用于对比不同配方、包覆工艺或掺杂策略对热安全性的改善效果，为材料优化提供直接依据。
单纯的DSC虽能反映放热行为，但难以区分是分解、氧化还是挥发所致。此时，同步热分析仪（TGA/DSC）的优势便凸显出来——它能在同一实验中同步记录样品的质量变化（TGA）与热流信号（DSC），实现“一机双参”。
以满电三元正极材料为例，TGA/DSC测试显示：约200℃时材料开始发生结构坍塌，伴随放热；随后在更高温度下出现吸热峰，对应进一步的晶格崩解。这种先放热后吸热的复杂过程，只有高灵敏度的同步热分析系统才能清晰分辨，并保持基线平稳，确保数据可靠性。
图2 满电态三元材料的同步热分析
此外，TGA还能用于定量分析正极材料中的残余锂（如Li₂CO₃、LiOH）含量。这些杂质不仅影响浆料加工性能，还会在高温下分解产气，加剧电池胀气风险。通过设定特定升温程序，可在空气气氛中将有机物分解与碳/锂化合物氧化分步识别，实现组分精准量化。
热分析技术的应用贯穿锂电池正极材料的全生命周期：
· 研发阶段：筛选高热稳定性材料体系（如LFP vs NCM），评估掺杂/包覆改性效果；
· 工艺控制：监控煅烧终点、洗涤效率及干燥残留；
· 安全评估：测定不同SOC下的热失控温度，建立安全使用窗口；
· 失效诊断：对比循环老化前后材料的热行为变化，追溯容量衰减或产气根源。
更进一步，结合动力学模型（如等转化率法），还可基于多升温速率DSC数据，计算反应活化能，预测材料在任意温度-时间条件下的热失控行为，为电池热管理系统（BTMS）设计提供理论支撑。
尽管当前高镍、富锂等新型正极不断涌现，但其热安全评价仍缺乏统一标准。推动DSC/TGA测试方法在材料供应商、电池厂与整车企业间的协同应用，建立可比、可重复的热稳定性数据库，已成为行业共识。
未来，随着原位热分析、联用质谱（TGA-MS）等技术的发展，热分析不仅能“看到”热量和质量变化，还能“闻到”释放的气体成分（如O₂、CO₂、HF），从而构建更完整的热失效图谱。
国高材分析测试中心配备国际先进的热分析系统（TGA/DSC）、XRD、GC-MS等高端设备，助力企业加速高安全电池材料开发，筑牢动力电池安全防线。咨询电话：020-66221668
TGA-IR-GC/MS三联用
素材来源于网络 推荐阅读
