Въведение
Електролитите в батериите играят ключова роля в съхранението на енергия и са основен компонент на съвременните технологии за батерии. Тези вещества позволяват протичането на йони между електродите, което е от съществено значение за зареждането и разреждането на батерията. През последните години научните изследвания в областта на електролитите за батерии отбелязаха значителен напредък в посока подобряване на ефективността, безопасността и продължителността на живота на батериите. С нарастващото значение на електрическите превозни средства и възобновяемата енергия разбирането и усъвършенстването на електролитите е от основно значение за устойчивото енергийно бъдеще.
Необходимо е обаче да се вземат предвид и да се изследват опасностите, като прегряване или топлинно изтичане. Термичният анализ дава представа за топлинните свойства, като например фазов преход или разпадане, на тези материали.
Като представител на многобройните електролити за батерии, широко използваният литиев хексафлуороарсенат (LiAsF6) е изследван за калорични ефекти и промени в масата с помощта на едновременен термичен анализ.
Условия за измерване
Поради хигроскопичните свойства на LiAsF6 пробата беше подготвена в ръкавична камера под аргон, за да се предотврати абсорбирането на вода от материала. Измерването на STA също беше извършено в ръкавична кутия с аргон. Подробни параметри на измерването са посочени в таблица 1.
Таблица 1: Параметри на измерването, използвани за изследването с STA 449 Jupiter®
| Параметър | Проба LiAsF6 |
|---|---|
| Тегло на образеца | 12.1 mg |
| Тигел | Concavus® Al, с пробит капак |
| Сензор | TGA-DSC Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp, тип S |
| Пещ | SiC |
| Температурна програма | RT до 600°C |
| Скорост на нагряване | 10 K/min |
| Газова атмосфера | Аргон |
| Газов поток | 70 ml/min |
Резултати от измерването
Резултатите от TGA-DSC са показани на фигура 1. Кривата на масовите загуби показва две стъпки от 1,1 % и 81,7 %. Първата стъпка на загуба на маса вероятно може да се отдаде на отделянето на влага. Втората стъпка на загуба на маса се дължи на разлагането на LiAsF6. Два ендотермични ефекта с максимални температури 122,8 °C и 497,7 °C и енталпии 25,18 J/g и 337 J/g могат да бъдат открити от DSC кривата; те корелират със стъпките на загуба на маса. Освен това при температура 265°C може да се установи обратим твърдотелен фазов преход на LiAsF6 от ромбоидна в кубична фаза1.
1Gavrichev, K.S., Sharpataya, G.A., Gorbunov, V.E. et al. Thermodynamic Properties and Decomposition of Lithium Hexafluoroarsenate, LiAsF6. Inorganic Materials 39, 175-182 (2003). https://doi.org/10.1023/A:1022102914631
Резюме
Характеризирането на енергийните ефекти и разграждането на електролита на батерията LiAsF6 беше успешно извършено с помощта на едновременен термичен анализ. Благодарение на възможността подготовката на пробата и измерването на STA да се извършват в ръкавична камера, могат успешно да се измерват дори материали, които в противен случай биха реагирали със заобикалящата ги атмосфера - като например изследваният материал LiAsF6. Въз основа на получените данни може да се види, че LiAsF6 остава стабилен до фазовото превръщане в твърдо тяло при около 265 °C. При температури над 300°C материалът се разлага при инертни условия. Тази информация предоставя допълнителни знания по отношение на потенциални опасности като прегряване и термично бягство.
Всички инструменти на NETZSCH могат да работят в ръкавична камера, което позволява анализ на материали, които са чувствителни към условията на околната среда или имат токсични свойства. Чрез използването на ръкавична кутия такива материали могат да се обработват и анализират при контролирани условия, изолирани от околната среда. Това позволява да се получат експериментални резултати, които не биха били възможни без тези защитни мерки, тъй като материалът запазва свойствата си, а безопасността на хората е гарантирана.