关键词：
磷酸铁锂电池
热失控
硫化钼
金属掺杂改性
气敏传感器
摘要：
近年来,由于国家能源结构的调整,以往以火电为主的发电结构发生改变,以风能、太阳能等的新能源发电份额正在急速上升。新能源发电有着可再生、环保等优势,但如果将其大规模地接入电网会造成逆潮流等问题,会严重冲击电网的正常运行,因此,与之配套的储能设备至关重要。锂电池由于它较高的能量密度与库伦效率,较长的使用寿命成为储能电池的首选,但最近发生的一系列因为热失控引起的锂电池爆燃事件,让人们又开始担忧锂电池使用期间的安全问题。气体作为反映锂电池热失控发展阶段的重要参量,对其进行有效地检测并及时进行热失控预警是至关重要。硫化钼（Mo S2）凭借自身独特的物化特性、高比表面积等特点在气体检测领域得到了广泛应用,但由于本征硫化钼对气体的气敏响应值较低,需要对其进行金属掺杂改性提高其气敏特性。论文所开展的研究工作如下:
（1）本文首先对磷酸铁锂电池过充热失控机理与产气过程进行研究,通过对锂电池的组成部分、内部结构、工作原理进行了阐述。针对磷酸铁锂电池在过充条件下内部锂枝晶生长的过程以及触发热失控的机理进行了分析,对其产气过程也进行了具体的描述。结合气体检测的条件,选择CO和H2作为磷酸铁锂电池热失控的特征气体,为后文的仿真计算、气敏测试提供了目标对象。
（2）基于密度泛函理论对本征及其金属（Pt、Pd）掺杂Mo S2、热失控特征气体分子（CO、H2）进行建模及几何优化处理。结果表明,经过金属掺杂之后的Mo S2,能隙缩短,表明电荷转移的势垒降低,有利于电荷的转移。并构建气体分子与气敏材料之间不同位置的吸附构型,并进行仿真计算。对吸附能、电荷转移、吸附距离、能带结构等参数进行分析,结果表明本征Mo S2对CO和H2的吸附能较低,电荷转移量较小,属于物理吸附,而经过金属（Pt、Pd）掺杂的Mo S2对CO和H2拥有较强的吸附性,电荷转移量较多,属于化学吸附。因此,根据对仿真结果的分析,选取本征及其金属（Pt、Pd）掺杂的Mo S2进行后续的材料制备与气敏特性研究。
（3）采用实验室水热法对本征及其金属（Pt、Pd）掺杂的Mo S2气敏材料进行了制备,在对本征Mo S2进行金属掺杂改性的过程中,为探索金属不同掺杂比例对其气敏性能的影响,因此按照金属与材料1:2和1:1的比例进行了掺杂材料的制备。进而通过SEM、EDS、XRD、XPS等多种表征手段验证了纳米微球状Mo S2的成功合成,Pt通过调控Mo S2形貌的生长状态,在维持现有气隙结构基础上,增加了其与气敏分子接触的外表面积,而Pd以金属微粒附着在Mo S2表面上,增加了Mo S2对气体的吸附位点,也同样提高了材料的气敏特性。但从SEM显示的结果上可以看出,随着掺杂源比例的提升,原有的气隙结构会逐渐减小,说明在进行掺杂改性时,合适的比例也是提高气敏性能的关键。
（4）选择基于电极片的平面型旁热式传感器作为所制备传感材料的载体,基于搭建的气敏测试平台,将所制作的五种气敏传感器置于CO和H2气体浓度在25-100ppm的条件下,得出其浓度响应、响应-恢复和长时间的重复稳定特性。结果表明本征Mo S2在室温条件下,对热失控气体CO和H2的气敏值较低,而金属掺杂之后的Mo S2对两种气体的响应值较高,且线性度较高。测试表明,金属掺杂是一种提升气敏材料性能较为有效的方式。
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