مقدمة
أصبحت خلايا الليثيوم أيون المعدنية أكثر شيوعًا. فهي توفر كثافة طاقة وسعة أعلى وقابلة لإعادة الشحن. هناك العديد من التغييرات الكيميائية والفيزيائية المعقدة داخل الخلية كدالة للوقت ودرجة الحرارة وحمل التدوير. وتوفر كمية الحرارة المنبعثة أو الممتصة أثناء هذه التغيرات الفيزيائية الكيميائية ومعدل تغير الطاقة داخل الخلية المعدنية معلومات إضافية حول كيمياء الخلية ويمكن أن تسرع عملية تطوير البطارية.
يوفر تسخين خلايا العملات المعدنية ومراقبة التحلل بعناية معلومات ليس فقط عن السلامة ولكن في فهم كيفية حدوث التكوينات داخل الخلية. على سبيل المثال، يمكن للمرء أن يرى بوضوح تحلل الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) كأحد البصمات الحرارية الأولى لتحلل الخلية. وبقياس درجة الحرارة والطاقة ومعدل إطلاق الطاقة بدقة، يمكن تقييم قوة تكوين الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI)؛ فكلما زادت ذروة التحلل زادت الطاقة المخزنة في طبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب.
ويُعد اختبار DSC لمواد الخلايا طريقة مثبتة لصنع خلايا أكثر أمانًا بطبيعتها وتحسين التطوير. ويعد الحصول على درجات حرارة واضحة لبداية أحداث التحلل الطاردة للحرارة الرئيسية داخل الخلية، وقياس حركية هذه التحلل في درجات حرارة أعلى أمرًا بالغ الأهمية في فهم سلوك كيميائيات الخلايا المختلفة المعرضة لقصور داخلي أو نقاط ساخنة. يعد تصميم كيميائيات أكثر قوة أحد الطرق المهمة لمنع أو تخفيف المخاطر والمخاطر المرتبطة بالأعطال الميدانية. يمكن أن يكون للاستثمارات الصغيرة خلال مرحلة التطوير هذه فوائد مالية كبيرة خلال عمر المنتج في وقت لاحق.
كان يتم إجراء اختبار DSC هذا من قبل عن طريق استخراج مادة الخلية من خلية عملة وإجراء الاختبار في DSC التقليدي. والآن مع ظهور وحدة الخلايا المعدنية الجديدة ذات درجة الحرارة العالية من NETZSCH، يمكن إجراء فحص DSC في الموقع على بطارية خلية معدنية كاملة. تعرض هذه المذكرة التطبيقية، لأول مرة، فحص DSC لبطارية خلية ليثيوم أيون المعدنية التجارية من درجة حرارة الغرفة إلى 300 درجة مئوية.
الأجهزة
الأداة الجديدة المستخدمة هي وحدة الخلايا المعدنية ذات درجة الحرارة العالية على NETZSCH MMC 274 Nexus® (الشكل 1). وهو النظام الوحيد الشبيه بنظام DSC للبحث ومراقبة جودة بطارية الخلايا المعدنية في العالم. المكون الرئيسي لهذا الجهاز الجديد هو المستشعر (الشكل 2 و3). ويتميز بتصميم مبتكر للقياس التفاضلي يعتمد على الحوامل الحرارية لتحسين حساسية واستقرار قياس التدفق الحراري. وهو مصمم لحمل بطاريات الخلايا المعدنية القياسية أو النموذجية كعينات أو مرجع. يمكن توصيل جهاز تدوير البطارية الخارجي بالجهاز بسهولة من خلال موصل LEMO للتوصيل والتشغيل. يمكن إجراء تدوير متساوي الحرارة لخلية العملة بسهولة في ظل ظروف شحن/تفريغ مختلفة. يمكن للأداة القوية الجديدة أيضًا إجراء مسح DSC على خلية عملة كاملة وهو ما لم يكن ممكنًا من قبل.
النتائج
تم إجراء مسح DSC لخلية عملة أيونات الليثيوم أيون التجارية LiR2032 من درجة حرارة الغرفة إلى 300 درجة مئوية عند 1K/الدقيقة باستخدام وحدة خلية عملة HT. الشكل 4 هو نتيجة التدفق الحراري. وهو أول جزء من البيانات من هذا النوع في العالم. ويظهر تفاعلات متعددة أثناء تفكك خلية العملة عند التسخين. ومن الواضح أن التحلل الطارد للحرارة في SEI يتبعه ذوبان الفاصل عند 130 درجة مئوية تقريبًا (حدث ماص للحرارة حاد). يحدث هذا الماص للحرارة في نفس الوقت تقريبًا مع التفاعل بين الإلكتروليت والليثيوم. يحدث تحلل الإلكتروليت والتفاعل بين الليثيوم والفاصل في درجة حرارة أعلى.
تتفق هذه النتيجة مع محاكاة DSC المنشورة لمكونات الخلية المختلفة (الشكل 5) [1]. يوضح الشكل 6 صورة لخلية العملة قبل الاختبار وبعده. من الواضح أن الخلية تفككت بسبب ارتفاع درجة الحرارة كما هو متوقع. لكن مستشعر خلية العملة HT كان سليمًا بسبب تصميمه القوي.
الخاتمة
أتاحت وحدة HT Coin Cell Module الجديدة في NETZSCH MMC 274 Nexus® فرصة جديدة لأبحاث بطاريات الخلايا المعدنية. يجعل المستشعر المصمم بشكل مبتكر اختبار خلية العملة بالكامل ممكنًا. أصبح من الممكن الآن إجراء فحص DSC حتى 300 درجة مئوية على خلية عملة معدنية. ويمكن الكشف عن أحداث متعددة أثناء تفكك الخلية. ستساعد مثل هذه المعلومات علماء البطاريات على فهم ما سيحدث عندما تتعرض الخلية لدرجة حرارة عالية أو قصر داخلي حتى يتمكنوا من تصميم خلية ذات أداء أعلى وأمان أفضل.