Tepelná stabilita elektrolytu lithium-iontových baterií

Jednou ze součástí lithium-iontové baterie, která je obvykle zodpovědná za nehody, je elektrolyt. V následujícím článku bylo provedeno několik experimentů pomocí TGA, DSC a analýzy vyvíjených plynů s cílem prozkoumat složení, tepelnou stabilitu a Identify uvolňované produkty.

Lithium-iontové baterie jsou dnes již běžnou součástí každodenního používání, ať už si to uvědomujeme, nebo ne. Napájejí naše mobilní telefony (mobilní telefony), přenosné počítače i větší předměty, jako jsou elektromobily a letadla. Často slýcháme negativní příběhy o neštěstích, ke kterým u nich dochází, například o vznícení baterií. Jednou ze součástí lithium-iontové baterie, která je obvykle zodpovědná za tyto škodlivé účinky, je elektrolyt.

Experimentální

V následující studii bylo provedeno několik experimentů pomocí TGA, DSC a analýzy vyvíjených plynů, aby se prozkoumal běžně používaný elektrolyt (1,0 M _LiPF6 v EC/DEC = 50/50 (v/v), získaný od společnosti Sigma-Aldrich), který byl vystaven působení okolní atmosféry (_N2, _O2,_H2O,_CO2 atd.).vzorky byly připraveny v rukavicovém sáčku pročištěném argonem za použití přibližně 8 až 10 mg roztoku elektrolytu napipetovaného do 40 μl hliníkových kelímků, které byly uzavřeny hliníkovými víčky kelímků s laserem vyříznutým 50 μm otvorem pro odvětrávání plynů. Vzorky byly načteny a změřeny pomocí přístroje NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® spojeným s QMS 403 Aëolos^®s rychlostí ohřevu ^5oC/mina argonem jako čisticím plynem. Pro sledování změn ve složení elektrolytu byla provedena diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC). Termogravimetrická analýza (TGA) byla využita k měření tepelné stability a teploty rozkladu, zatímco analýza vyvržených plynů (EGA) pomocí hmotnostní spektrometrie (MS) identifikovala uvolněné produkty.

TGA-DSC-DTG křivky neupraveného EC-DEC-LiPF6 ukazují tepelné chování a hmotnostní ztráty při kritických teplotách. — Obrázek 1: TGA-DSC-DTG grafy neupraveného EC-DEC-LiPF6

Iontové proudové křivky MS ukazují data pro diethylkarbonát (DEC) s hmotnostními čísly 45, 59, 63, 75 a 91, což svědčí o analýze tepelné stability. — Obrázek 2: Křivky iontového proudu MS 45, 59, 63, 75 a 91 odpovídající DEC

Analýza hmotnostního spektra diethylkarbonátu (DEC) se zvýrazněním klíčových iontových píků pro přesnou identifikaci a posouzení stability. — Obrázek 3: Hmotnostní spektrum DEC

Výsledky a diskuse

Na obrázku 1 jsou znázorněny křivky TGA (zelená), DTG (hnědá) a DSC (modrá) neupraveného vzorku elektrolytu sestávajícího z ethylenkarbonátu (EC), diethylkarbonátu (DEC) a hexafluorofosfátu lithného (_LiPF6).počáteční úbytek hmotnosti lze přičíst odpařování diethylkarbonátu, protože se zjistilo, že hmotnostní čísla spojená s touto sloučeninou (45, 59, 63, 75 a 91) dosahují vrcholu kolem ^150oC, jak je vidět na obrázku 2, přičemž hmotnostní spektrum diethylkarbonátu z knihovny NIST je uvedeno na obrázku 3.

Když je tento elektrolyt vystaven okolní atmosféře, začne se měnit jeho stabilita a složení. Proměnu lze vidět na obrázcích 4 a 5, kde jsou vyneseny signály DSC a TGA neošetřeného elektrolytu spolu se signály vzorků elektrolytu, které byly vystaveny okolní atmosféře po různě dlouhou dobu. Analýza evolučních plynů (obrázek 6) potvrzuje radikální změny ve srovnání s neošetřeným vzorkem, protože největším ukazatelem byla hmotnostní čísla vztahující se k DEC (45, 59, 63, 75 a 91), která již nebyla v exponovaném vzorku přítomna.

Stlačené balíky nápojových kartonů vedle grafů termické analýzy, které ukazují polymerní směsi při testování recyklátů. — Obrázek 4: Srovnání TGA křivek EC-DEC-LiPF6 s různou dobou expozice

Srovnání DSC křivek elektrolytu EC-DEC-LiPF6 při různých dobách expozice, které zvýrazňují tepelnou stabilitu. — Obrázek 5: Srovnání DSC křivek EC-DEC-LiPF6 s různou dobou expozice

Srovnání signálů TGA a MS pro neošetřené a exponované vzorky elektrolytu lithium-iontových baterií se zvýrazněním změn stability. — Obrázek 6: Srovnání signálů TGA a MS neupraveného a exponovaného vzorku elektrolytu

Závěr

Elektrolyty lithium-iontových baterií jsou známé materiály, které jsou citlivé na působení okolních atmosférických plynů. Jak bylo ukázáno, k prozkoumání této vlastnosti materiálu, která by v konečném důsledku mohla ohrozit funkčnost a bezpečnost výrobku, lze použít tepelné analyzátory a analyzátory vyvíjených plynů. Celá aplikační poznámka je k dispozici zde!