الثبات الحراري لإلكتروليت بطارية الليثيوم أيون

أحد المكونات الموجودة في بطارية أيونات الليثيوم المسؤولة عادةً عن الحوادث المؤسفة هو الإلكتروليت. في المقالة التالية، تم إجراء عدة تجارب عن طريق TGA و DSC وتحليل الغاز المتطور للتحقق من التركيب والاستقرار الحراري و Identify النواتج المنطلقة.

بطاريات أيونات الليثيوم هي الآن عنصر ثابت للاستخدام اليومي سواء كنا على دراية بها أم لا. يمكن العثور عليها لتشغيل هواتفنا المحمولة (الهواتف المحمولة) وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى larger عناصر مثل السيارات الكهربائية والطائرات. وكثيراً ما نسمع قصصاً سلبية عن الحوادث المؤسفة التي تحدث معها مثل اشتعال البطاريات. أحد المكونات الموجودة في بطارية أيونات الليثيوم المسؤولة عادةً عن هذه الآثار الضارة هو الإلكتروليت.

تجريبي

في الدراسة التالية، أُجريت العديد من التجارب عن طريق تحليل TGA وDSC وتحليل الغاز المتطور لفحص إلكتروليت شائع الاستخدام (1.0 ميلي مولار من _LiPF6 في EC/DEC=50/50 (v/v) تم الحصول عليه من Sigma-Aldrich) عن طريق تعريضه للجو المحيط (_N2،_O2،_H2O،H2O، _CO2، إلخ).تم إعداد العينات في كيس قفازات مطهر بالأرجون باستخدام ما يقرب من 8 إلى 10 ملجم من محلول الإلكتروليت الذي تم وضعه في بوتقات ألومنيوم سعة 40 ميكرولترًا تم إغلاقها بأغطية بوتقة من الألومنيوم بها ثقب مثقوب بالليزر بمقدار 50 ميكرومتر للسماح للغازات بالتنفيس. تم تحميل العينات وقياسها باستخدام NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® مقترنة بجهاز QMS 403 Aëolos^®باستخدام معدل تسخين 5 درجات ^{مئوية/دقيقة}وغاز الأرجون كغاز تطهير. تم إجراء قياس السعرات الحرارية بالمسح التفاضلي (DSC) لرصد التغيرات في تركيبة الإلكتروليت. تم استخدام تحليل قياس الثبات الحراري (TGA) لقياس الثبات الحراري ودرجات حرارة التحلل، بينما حدد تحليل الغاز المتطور (EGA) عبر مطياف الكتلة (MS) النواتج المنطلقة.

تُظهر منحنيات TGA-DSC-DTG ل EC-DEC-LiPF6 غير المعالجة السلوك الحراري وفقدان الكتلة عند درجات الحرارة الحرجة. — الشكل 1: الرسوم البيانية TGA-DSC-DTG ل EC-DEC-LiPF6 غير المعالج

تُظهر منحنيات تيار أيونات التصلب المتعدد بيانات ثنائي إيثيل الكربونات (DEC) عند الأعداد الكتلية 45 و59 و63 و75 و91، مما يشير إلى تحليل الثبات الحراري. — الشكل 2: منحنيات تيار أيون التصلب المتعدد 45 و59 و63 و75 و91 المناظرة لـ DEC

تحليل الطيف الكتلي لكربونات ثنائي الإيثيل (DEC)، مع تسليط الضوء على قمم الأيونات الرئيسية لتحديد دقيق وتقييم الثبات. — الشكل 3: الطيف الكتلي ل DEC

النتائج والمناقشة

يوضح الشكل 1 منحنيات TGA (أخضر) وDTG (بني) وDTG (بني) وDSPC (أزرق) لعينة إلكتروليت غير معالجة تتكون من كربونات الإيثيلين (EC) وكربونات ثنائي الإيثيل (DEC) وسداسي فلوريد الفوسفات الليثيوم (_LiPF6).يمكن أن يُعزى الفقد الكتلي الأولي إلى تبخر ثنائي إيثيل الكربونات حيث وُجد أن الأرقام الكتلية المرتبطة بهذا المركب (45 و59 و63 و75 و91) تبلغ ذروتها حول ¹⁵⁰درجة مئوية كما هو موضح في الشكل 2 مع طيف الكتلة library الخاص بـ ثنائي إيثيل الكربونات الموضح في الشكل 3.

وعند تعريض هذا الإلكتروليت للجو المحيط، يبدأ الثبات والتركيب في التغير، ويمكن رؤية التحول في الشكلين 4 و5 حيث يتم رسم إشارات DSC وTGA للإلكتروليت غير المعالج إلى جانب إشارات عينات الإلكتروليت التي تعرضت للجو المحيط لفترات مختلفة. ويؤكد تحليل الغازات المتطورة (الشكل 6) حدوث تغيرات جذرية عند مقارنتها بالعينة غير المعالجة حيث كان أكبر مؤشر على أن الأعداد الكتلية المتعلقة بـ DEC (45 و59 و63 و75 و91) لم تعد موجودة في العينة المعرضة.

بالة مضغوطة من كراتين المشروبات بجانب رسوم بيانية للتحليل الحراري، تعرض خلطات البوليمر في اختبار إعادة التدوير. — الشكل 4: مقارنة بين منحنيات TGA ل EC-DEC-LiPF6 مع أزمنة تعرض مختلفة

مقارنة منحنى DSC لإلكتروليت EC-DEC-LiPF6 تحت أزمنة تعريض متنوعة، مما يسلط الضوء على الثبات الحراري. — الشكل 5: مقارنة بين منحنيات DSC ل EC-DEC-LiPF6 مع أزمنة تعرض مختلفة

مقارنة بين إشارات TGA وMS لعينات إلكتروليت بطارية الليثيوم أيون غير المعالجة والمعرضة للكهرباء، مع تسليط الضوء على التغيرات في الثبات. — الشكل 6: مقارنة بين إشارات TGA وMS لعينة إلكتروليت غير معالجة ومكشوفة

الخاتمة

تُعد إلكتروليتات بطاريات أيونات الليثيوم من المواد المعروفة بحساسيتها للتعرض للغازات الجوية المحيطة. كما هو موضح، يمكن استخدام أجهزة تحليل الغازات الحرارية والمتطورة للتحقق من خاصية هذه المواد التي يمكن أن تعرض وظائف المنتج وسلامته للخطر في نهاية المطاف. المذكرة التطبيقية الكاملة متاحة هنا!