Termisk stabilitet af litium-ion-batteriets elektrolyt

Litium-ion-batterier er nu en fast bestanddel af vores hverdag, uanset om vi er opmærksomme på dem eller ej. De driver vores mobiltelefoner, bærbare computere og større ting som elbiler og fly. Vi hører ofte negative historier om uheld, der sker med dem, såsom at batterier bryder i brand. En af de komponenter, der findes i et litium-ion-batteri, og som typisk er ansvarlig for disse skadelige virkninger, er elektrolytten.

Eksperimentel

I den følgende undersøgelse blev der udført flere eksperimenter via TGA, DSC og udviklet gasanalyse for at undersøge en almindeligt anvendt elektrolyt (1,0 M _LiPF6 i EC/DEC = 50/50 (v/v) fra Sigma-Aldrich) ved at udsætte den for eksponering for den omgivende atmosfære (_N2,_O2,_H2O,_CO2 osv.).prøverne blev fremstillet i en handskepose renset med argon ved hjælp af ca. 8-10 mg elektrolytopløsning, der blev afpipetteret i 40 μl aluminiumdigler, som blev forseglet med aluminiumdigellåg, der havde et laserskåret hul på 50 μm, så gasserne kunne komme ud. Prøverne blev indlæst og målt med NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® koblet til en QMS 403 Aëolos^®med en opvarmningshastighed på ^5oC/minog argon som rensegas. Differentialscanningskalorimetri (DSC) blev udført for at overvåge ændringer i elektrolytens sammensætning. Termogravimetrisk analyse (TGA) blev brugt til at måle Termisk stabilitetEt materiale er termisk stabilt, hvis det ikke nedbrydes under påvirkning af temperaturen. En måde at bestemme et stofs termiske stabilitet på er at bruge en TGA (termogravimetrisk analysator). termisk stabilitet og nedbrydningstemperaturer, mens udviklet gasanalyse (EGA) via massespektrometri (MS) identificerede de frigivne produkter.

TGA-DSC-DTG-kurver for ubehandlet EC-DEC-LiPF6 viser termisk adfærd og massetab ved kritiske temperaturer. — Figur 1: TGA-DSC-DTG-grafer af ubehandlet EC-DEC-LiPF6

MS-ionstrømskurver viser data for diethylkarbonat (DEC) ved massetal 45, 59, 63, 75 og 91, hvilket indikerer analyse af termisk stabilitet. — Figur 2: MS-ionstrømskurver 45, 59, 63, 75 og 91 svarende til DEC

Massespektrumanalyse af diethylcarbonat (DEC) med fremhævelse af vigtige ion-toppe til nøjagtig identifikation og stabilitetsvurdering. — Figur 3: Massespektrum af DEC

Resultater og diskussion

Figur 1 viser TGA- (grøn), DTG- (brun) og DSC-kurverne (blå) for en ubehandlet elektrolytprøve bestående af ethylencarbonat (EC), diethylcarbonat (DEC) og lithiumhexafluorophosphat (_LiPF6).det indledende massetab kan tilskrives FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af diethylcarbonat, da massetal forbundet med denne forbindelse (45, 59, 63, 75 og 91) viser sig at toppe omkring ^150oC, som det ses i figur 2 med NIST-bibliotekets massespektrum for diethylcarbonat vist i figur 3.

Når denne elektrolyt udsættes for omgivende atmosfære, begynder stabiliteten og sammensætningen at ændre sig. Transformationen kan ses i figur 4 og 5, hvor DSC- og TGA-signalerne fra den ubehandlede elektrolyt er plottet sammen med signaler fra elektrolytprøver, der blev udsat for omgivende atmosfære i forskellige varigheder. Udviklet gasanalyse (figur 6) bekræfter radikale ændringer sammenlignet med den ubehandlede prøve, da den største indikator var, at massetal vedrørende DEC (45, 59, 63, 75 og 91) ikke længere var til stede i den udsatte prøve.

Komprimerede baller af drikkevarekartoner ved siden af grafer for termisk analyse, der viser polymerblandinger i genbrugstest. — Figur 4: Sammenligning af TGA-kurver for EC-DEC-LiPF6 med forskellige eksponeringstider

Sammenligning af DSC-kurver for EC-DEC-LiPF6-elektrolyt under forskellige eksponeringstider, hvilket understreger den termiske stabilitet. — Figur 5: Sammenligning af DSC-kurverne for EC-DEC-LiPF6 med forskellige eksponeringstider

Sammenligning af TGA- og MS-signaler for ubehandlede og eksponerede litium-ion-batterielektrolytprøver, der fremhæver stabilitetsændringer. — Figur 6: Sammenligning af TGA- og MS-signaler fra en ubehandlet og eksponeret elektrolytprøve

Konklusion

Elektrolytter til litium-ion-batterier er kendte materialer, der er følsomme over for eksponering for atmosfæriske gasser. Som vist kan termiske og udviklede gasanalysatorer bruges til at undersøge denne materialeegenskab, der i sidste ende kan kompromittere produktets funktionalitet og sikkerhed. Den fulde applikationsnote er tilgængelig her!