| Published: 

تحديد المواد الفاصلة عن طريق تقنية TGA-FT- IR

مقدمة

تلعب الفواصل دورًا حاسمًا في بطاريات أيونات الليثيوم لأنها تفصل فيزيائيًا بين الأنود والكاثود مع السماح بمرور أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية. وتستخدم مواد وتقنيات مختلفة للفواصل لتلبية متطلبات السلامة والأداء والتكلفة المختلفة. إحدى المجموعات الشائعة الاستخدام من الفواصل في بطاريات أيونات الليثيوم هي فواصل البولي أوليفين، لأنها مقاومة كيميائياً للإلكتروليتات وسهلة الإنتاج وفعالة من حيث التكلفة نسبياً.

في حالة الدراسات التنافسية، يمكن أن يكون توصيف وتحديد الفواصل أمرًا ضروريًا لضمان الجودة وتحسين أداء البطارية.

وقد تم فحص رقاقتين فاصلتين مختلفتين باستخدام تقنية TGA-FT-IR لتحديد سلوك التحلل وتحديد التركيب.

القياس والمناقشة

شروط القياس مفصلة في الجدول 1.

الجدول 1: شروط القياس

الجهازNETZSCH TG Libra® مقترنة بجهاز بروكر FT-IR INVENIO
برنامج درجة الحرارةRT إلى 850 درجة مئوية
معدل التسخين10 كلفن/دقيقة
غاز التطهيرنيتروجين، 40 مل/دقيقة
البوتقاتAl2O3، 85 ميكرولتر، مفتوح

يُظهر الشكل 1 مقارنة بين منحنيات TGA (العينة A: أخضر؛ العينة B: أحمر) لرقائق فاصلتين. تم تسخين كلتا العينتين إلى 850 درجة مئوية تحت جو خامل، مما أدى إلى انحلال حراري كامل. ونتيجة لذلك، لم يمكن تحديد محتوى الكربون أو الرماد المتحلل حراريًا. ومع ذلك، لوحظ انحراف طفيف في درجة حرارة بداية التحلل (437 درجة مئوية للعينة A مقابل 447 درجة مئوية للعينة B). وبالتالي فمن المحتمل أنه تم استخدام مادتين مختلفتين لهاتين الرقاقتين الفاصلتين. وبمساعدة الدالة ج-ديتا®®، أمكن أيضًا تحديد درجات انصهار هاتين العينتين. مرة أخرى، تم اكتشاف فرق كبير قدره 116 درجة مئوية مقابل 168 درجة مئوية.

1) تغير الكتلة المعتمد على درجة الحرارة (TGA)، ومعدل تغير الكتلة (DTG)، ومنحنيات DTA المحسوبة (ج-ديتا®) ومنحنيات غرام-شميد للفاصلين A (أخضر) وB (أحمر).

يعد ذوبان الرقاقة الفاصلة ميزة أمان مهمة للبطاريات. في البطاريات الحديثة، تحتوي العديد من الفواصل على ما يسمى "وظيفة إيقاف التشغيل". وهذا يعني أنه عند ارتفاع درجة الحرارة، يذوب الفاصل أو يغلق مسامه، مما يوقف تدفق التيار وبالتالي يحمي البطارية قبل حدوث هروب حراري خطير.

تُظهر منحنيات جرام شميدت إجمالي شدة الأشعة تحت الحمراء. وهي تتوافق بشكل جيد مع منحنيات TGA وDTG.

يتم تنفيذ تحديد المادة الفاصلة بشكل نموذجي للعينة A. تحتوي ميزة التعريف Proteus® على عدة آلاف من مجموعات البيانات المقاسة لطرق التحليل الحراري المختلفة وفئات مختلفة من المواد التي يمكن مقارنتها بالبيانات الحالية. هنا، تتم مقارنة منحنى TGA ونقطة الانصهار المحددة بواسطة ج-ديتا® للعينة A مع بيانات مكتبة البوليمر. تُظهر تشابهًا كبيرًا مع البولي بروبيلين (المنحنيات الوردية)؛ انظر الشكل 2.

2) تغير الكتلة المعتمد على درجة الحرارة (TGA) ومعدل تغير الكتلة (DTG) ومنحنى غرام-شميت للفاصل A مقارنةً بالنتيجة المحددة للبولي بروبيلين.

وكدليل إضافي، قورنت أطياف الطور الغازي المكتشفة بواسطة الأشعة تحت الحمراء FT-IR عند 462 درجة مئوية مع تلك الموجودة في قاعدة بيانات TGAFT- IR للبوليمرات، والتي تحتوي على أطياف الانحلال الحراري لجميع البوليمرات النموذجية. مرة أخرى، وُجد تشابه كبير مع البولي بروبيلين؛ انظر الشكل 3.

3) مقارنة بين طيف الأشعة تحت الحمراء بالأشعة تحت الحمراء المقيسة للعينة A عند درجة حرارة 462 درجة مئوية (باللون الأحمر) مع طيف الانحلال الحراري للبولي بروبيلين (باللون الأزرق).

قبل إجراء قياس TGA-FT-IR، قد يكون طيف ATR-IR مفيدًا أيضًا في تحديد الهوية. وُضعت الرقاقة الفاصلة على بلورة الماس ATR وتم أخذ طيف الأشعة تحت الحمراء للمادة الصلبة؛ انظر الشكل 4. كما أسفرت مقارنة الطيف مع المكتبة عن تشابه كبير مع البولي بروبيلين، كما هو موضح في الشكل 5.

4) مطياف Bruker INVENIO المجهز بوحدة ATR.
5) مقارنة طيف ATR المقيس للعينة A (باللون الأحمر) مع طيف قاعدة بيانات ATR للبولي بروبيلين (باللون الأزرق).

الملخص

ويوفر الجمع بين الميزان الحراري (TGA) ونظام الأشعة تحت الحمراء للأشعة تحت الحمراء FT-IR مجموعة متكاملة من بيانات القياس - مثل درجة الانصهار وسلوك التحلل ومحتوى الرماد ومحتوى الحشو وتحديد الغازات المنبعثة - من قياس عينة واحدة فقط. في هذا المثال، يمكن تحديد الثبات الحراري ومادة الرقائق الفاصلة باستخدام مكتبة تحديد الهوية، وقاعدة بيانات TGA-FT-IR للبوليمرات، وطيف ATR للمركب الصلب باستخدام إعداد جهاز واحد فقط.