Úvod
Elektrolyty baterií hrají zásadní roli při skladování energie a jsou nezbytnou součástí moderních bateriových technologií. Tyto látky umožňují tok iontů mezi elektrodami, což je nezbytné pro nabíjení a vybíjení baterie. V posledních letech výzkum elektrolytů v bateriích výrazně pokročil směrem ke zlepšení účinnosti, bezpečnosti a životnosti baterií. S rostoucím významem elektromobilů a obnovitelných zdrojů energie je pochopení a rozvoj elektrolytů zásadní pro udržitelnou energetickou budoucnost.
Je však třeba zvážit a prozkoumat nebezpečí, jako je přehřátí nebo tepelné vyčerpání. Tepelná analýza umožňuje nahlédnout do tepelných vlastností těchto materiálů, jako je Fázové přechodyTermín fázový přechod (nebo fázová změna) se nejčastěji používá pro popis přechodů mezi pevným, kapalným a plynným skupenstvím.fázový přechod nebo Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad.
Jako zástupce četných bateriových elektrolytů byl pomocí simultánní termické analýzy zkoumán široce používaný hexafluoroarsenát lithný (LiAsF6) z hlediska kalorických účinků a hmotnostních změn.
Podmínky měření
Vzhledem k hygroskopickým vlastnostem LiAsF6 byl vzorek připraven v rukavicovém boxu pod argonem, aby materiál neabsorboval vodu. Měření STA bylo rovněž provedeno v rukavicovém boxu pod argonem. Podrobné parametry měření jsou uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Parametr měření použitý pro invesitci se STA 449 Jupiter®
| Parametr | Vzorek LiAsF6 |
|---|---|
| Hmotnost vzorku | 12.1 mg |
| Kelímek | Concavus® Al, propíchnuté víko |
| Senzor | TGA-DSC Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp, typ S |
| Pec | SiC |
| Teplotní program | RT až 600 °C |
| Rychlost ohřevu | 10 K/min |
| Plynová atmosféra | Argon |
| Průtok plynu | 70 ml/min |
Výsledky měření
Výsledky TGA-DSC jsou znázorněny na obrázku 1. Křivka hmotnostních ztrát ukazuje dva stupně 1,1 % a 81,7 %. První krok úbytku hmotnosti lze pravděpodobně přičíst uvolňování vlhkosti. Druhý krok úbytku hmotnosti je způsoben rozkladem LiAsF6. Z DSC křivky lze zjistit dva endotermické jevy s vrcholovými teplotami 122,8 °C a 497,7 °C a entalpiemi 25,18 J/g a 337 J/g, které odpovídají krokům úbytku hmotnosti. Kromě toho lze při teplotě 265 °C identifikovat reverzibilní Fázové přechodyTermín fázový přechod (nebo fázová změna) se nejčastěji používá pro popis přechodů mezi pevným, kapalným a plynným skupenstvím.fázový přechod pevné fáze LiAsF6 z romboedrické fáze na kubickou1.
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
Souhrn
Charakterizace energetických účinků a rozkladu elektrolytu baterie LiAsF6 byla úspěšně provedena pomocí simultánní termické analýzy. Díky možnosti provádět přípravu vzorků a měření STA v rukavicovém boxu lze úspěšně měřit i materiály, které by jinak reagovaly s okolní atmosférou - jako například zkoumaný materiál LiAsF6. Na základě získaných údajů lze konstatovat, že LiAsF6 zůstává stabilní až do přeměny pevné fáze na pevnou při teplotě přibližně 265 °C. Při teplotách nad 300 °C se materiál za inertních podmínek rozkládá. Tyto informace poskytují další poznatky s ohledem na potenciální nebezpečí, jako je přehřátí a Tepelný únikTepelný únik je situace, kdy se chemický reaktor vymkne kontrole s ohledem na teplotu a/nebo tlak, které jsou způsobeny samotnou chemickou reakcí. Simulace tepelného úniku se obvykle provádí pomocí kalorimetrického zařízení podle metody zrychlené kalorimetrie (ARC).tepelný únik.
Všechny přístroje NETZSCH lze provozovat v rukavicovém boxu, což umožňuje analýzu materiálů, které jsou citlivé na podmínky prostředí nebo mají toxické vlastnosti. Pomocí rukavicového boxu lze takové materiály zpracovávat a analyzovat za kontrolovaných podmínek, izolovaně od okolního prostředí. To umožňuje získat experimentální výsledky, které by bez těchto ochranných opatření nebyly možné, protože materiál si zachovává své vlastnosti a zároveň je zajištěna bezpečnost lidí.