Термична стабилност на електролита на литиево-йонна батерия

Един от компонентите на литиево-йонната батерия, който обикновено е причина за злополуки, е електролитът. В следващата статия са проведени няколко експеримента чрез TGA, DSC и анализ на еволюиралите газове, за да се изследват съставът, термичната стабилност и Identify отделените продукти.

Литиево-йонните батерии вече са нещо обичайно за ежедневна употреба, независимо дали сме наясно с това или не. Те могат да бъдат намерени за захранване на нашите мобилни телефони, преносими компютри и по-големи предмети като електрически превозни средства и самолети. Често чуваме негативни истории за нещастни случаи, които се случват с тях, като например запалване на батериите. Един от компонентите, намиращи се в литиево-йонната батерия, който обикновено е отговорен за тези вредни ефекти, е електролитът.

Експериментален

В следващото изследване бяха проведени няколко експеримента чрез TGA, DSC и анализ на еволюиралите газове, за да се изследва често използван електролит (1,0 M _LiPF6 в EC/DEC=50/50 (v/v), закупен от Sigma-Aldrich), като се подложи на въздействието на околната атмосфера (_N2, _O2,_H2O,_CO2 и др.).пробите се приготвят в ръкавичен сак, продухван с аргон, като се използват приблизително 8 до 10 mg разтвор на електролит, пипетиран в 40 μl алуминиеви тигели, които са запечатани с алуминиеви капаци на тигелите с лазерно изрязан 50 μm пробит отвор, за да могат газовете да се изпускат. Пробите се зареждат и измерват с NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® свързан с QMS 403 Aëolos^®при използване на скорост на нагряване ^5oC/minи аргон като прочистващ газ. Диференциалната сканираща калориметрия (DSC) беше извършена, за да се наблюдават промените в състава на електролита. Термогравиметричният анализ (TGA) беше използван за измерване на термичната стабилност и температурите на разлагане, докато анализът на отделените газове (EGA) чрез масспектрометрия (MS) идентифицира отделените продукти.

TGA-DSC-DTG кривите на необработения EC-DEC-LiPF6 показват термично поведение и загуба на маса при критични температури. — Фигура 1: TGA-DSC-DTG графики на нетретиран EC-DEC-LiPF6

Кривите на MS йонния ток показват данни за диетилов карбонат (DEC) с масови номера 45, 59, 63, 75 и 91, което показва анализ на термичната стабилност. — Фигура 2: Криви на MS йонния ток 45, 59, 63, 75 и 91, съответстващи на DEC

Анализ на масовия спектър на диетилов карбонат (DEC), като се открояват ключови йонни пикове за точна идентификация и оценка на стабилността. — Фигура 3: Масов спектър на DEC

Резултати и обсъждане

На фигура 1 са показани кривите на TGA (зелено), DTG (кафяво) и DSC (синьо) на необработена проба от електролит, състояща се от етилен карбонат (EC), диетилов карбонат (DEC) и литиев хексафлуорофосфат (_LiPF6).първоначалната загуба на маса може да се припише на изпарението на диетилов карбонат, тъй като се установява, че масовите числа, свързани с това съединение (45, 59, 63, 75 и 91), достигат максимална стойност около ^150oC, както се вижда на фигура 2, а масовият спектър на диетилов карбонат от библиотеката на NIST е показан на фигура 3.

Когато този електролит се изложи на въздействието на околната среда, стабилността и съставът му започват да се променят. Трансформацията може да се види на фигури 4 и 5, където сигналите от DSC и TGA на необработения електролит са представени заедно със сигналите на пробите от електролита, които са били изложени на въздействието на околната среда за различни периоди от време. Анализът на еволюиралия газ (фигура 6) потвърждава радикалните промени в сравнение с необработената проба, тъй като най-големият показател е, че масовите числа, отнасящи се до DEC (45, 59, 63, 75 и 91), вече не присъстват в изложената на въздействието проба.

Компресирани бали от картонени опаковки за напитки до графики от термичен анализ, показващи полимерни смеси при изпитване на рециклирани материали. — Фигура 4: Сравнение на TGA кривите на EC-DEC-LiPF6 с различни времена на експозиция

Сравнение на DSC кривата на EC-DEC-LiPF6 електролит при различни времена на експозиция, което подчертава термичната стабилност. — Фигура 5: Сравнение на DSC кривите на EC-DEC-LiPF6 с различни времена на експозиция

Сравнение на TGA и MS сигналите за необработени и експонирани проби от електролит на литиево-йонни батерии, като се подчертават промените в стабилността. — Фигура 6: Сравнение на сигналите от TGA и MS на необработена и експонирана проба от електролит

Заключение

Електролитите на литиево-йонните батерии са известни материали, които са чувствителни към въздействието на атмосферни газове. Както е показано, термичните и еволюционните газови анализатори могат да се използват за изследване на това свойство на материала, което в крайна сметка може да застраши функционалността и безопасността на продукта. Пълният текст на бележката за приложение е достъпен тук!