03.09.2025 by Aileen Sammler
Forbedring af lithium-ion-batteriers sikkerhed: Termisk og kinetisk analyse af LiPF₆-elektrolytter med NETZSCH DSC &. Kinetics Neo
Opdag hvordan Differentiel scanningskalorimetri (DSC) og den Kinetics Neo software fra NETZSCH forbedrer sikkerheden for litium-ion-batterier ved at analysere den termiske og kinetiske stabilitet af LiPF₆-baserede elektrolytter og forhindrer termisk runaway og optimerer ydeevnen.
Litium-ion-batterier (LIB) driver vores smartphones, elbiler og systemer til lagring af vedvarende energi. I takt med at den globale efterspørgsel stiger hurtigt, er sikkerhed og pålidelighed blevet topprioriteter. Lovgivningsmæssige rammer som EU's batteriforordning 2023 og internationale standarder stiller nu strenge krav til test af batteriers termiske sikkerhed.
Elektrolytten er kernen i ethvert LIB, og et af de mest anvendte salte i karbonatopløsninger er LiPF₆. Selvom LiPF₆ har en fremragende Ionic ledningsevne og er kompatibel med grafitanoder, er det termisk og kemisk ustabilt. Denne ustabilitet kan udløse termisk runaway, et stort sikkerhedsproblem inden for elektrisk mobilitet og stationær lagring.
For at løse disse udfordringer er forskere og producenter afhængige af avanceret materialekarakterisering. I denne nye applikationsnote blev en NETZSCH DSC kombineret med Kinetics Neo -softwaren brugt til at analysere den termiske stabilitet og nedbrydningskinetik for LiPF₆-baserede elektrolytter.
Vigtige resultater fra undersøgelsen
Termiske hændelser identificeret af DSC
En NETZSCH DSC blev brugt til at analysere LiPF₆ i et blandet karbonatopløsningsmiddelsystem (EMC+DMC+EC, 1:1:1). Følgende termiske effekter blev opdaget over 190 °C:
- Endotermisk peak (≈230 °C) → NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af LiPF₆ og opløsningsmiddelspecifikke interaktioner
- EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.Eksoterm top (≈250 °C) → interaktion mellem LiPF₆ og EC, ringspaltningsreaktioner
- Bred EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksoterm top (≈290 °C) → polymerisationsreaktioner, PEO-lignende produkter, CO₂-frigivelse
Kinetisk analyse med Kinetics Neo Software
- Kinetisk evaluering bekræftede en tretrins reaktionsmodel med aktiveringsenergier på 146,3, 137,2 og 118,6 kJ/mol.
- Korrelationen mellem de målte og beregnede data nåede R² = 0,997, hvilket indikerer en fremragende overensstemmelse mellem eksperimentelle og simulerede data
Forudsigelser for scenarier i det virkelige liv
- IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.Isotermisk forudsigelse: Nedbrydningen startede efter ≈1 dag ved 150 °C, efter ≈9 dage ved 130 °C og efter ≈24 dage ved 120 °C.
- AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".Adiabatisk forudsigelse: Under adiabatiske forhold opstod termisk runaway efter ≈5 dage ved 150 °C.
Hvorfor det er vigtigt for dagens batteriindustri
- Batterisikkerhed er en kritisk udfordring i elbiler og netlagring.
- Overholdelse af lovgivningen kræver dybdegående analyser af elektrolytternes termiske stabilitet.
- Materialeudviklere kan optimere formuleringer for at minimere risikoen og forlænge batteriets levetid.
Ved at kombinere Differential Scanning Calorimetry(DSC) og Kinetics Neogiver NETZSCH et kraftfuldt værktøjssæt til at forudsige elektrolytens opførsel under reelle drifts- og misbrugsforhold.
Fordele ved NETZSCH DSC til batteriforskning
Analyseinstrumentet NETZSCH DSC 300 Caliris® har en enestående følsomhed og fleksibilitet, hvilket gør det til det ideelle værktøj til analyse af batterielektrolytter og -materialer.
I forbindelse med lithium-ion-batteriers sikkerhed gør DSC det muligt for forskere præcist at bestemme FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange, nedbrydningstemperaturer og varmestrømningshændelser, der er afgørende for at identificere starten på termisk runaway. Med sit modulære design og højtryksdigler giver DSC Caliris® mulighed for pålidelige resultater, selv for flygtige elektrolytsystemer.
Fordele ved Kinetics Neo i analyse af batterisikkerhed
SoftwarenKinetics Neo udvider DSC-målingerne ved at muliggøre forudsigelige simuleringer under virkelige forhold. For batteriudviklere betyder det, at data fra et sæt af tre DSC-opvarmningseksperimenter kan bruges til at modellere IsotermiskTest ved kontrolleret og konstant temperatur kaldes isotermiske.isotermisk lagringsstabilitet, adiabatiske forhold og forskellige temperaturprofiler.
Dette giver mulighed for nøjagtige forudsigelser af elektrolytens opførsel under drift, transport eller misbrugsscenarier - hvilket understøtter designet af sikrere batterisystemer med længere holdbarhed.
Konklusion
Kombinationen af NETZSCH DSC og Kinetics Neo software giver vigtig indsigt i den termiske og kinetiske stabilitet af LiPF₆-baserede elektrolytter. Disse resultater støtter direkte batteriudviklere i at forhindre termisk runaway, sikre overholdelse af sikkerhedsstandarder og drive overgangen til sikker og bæredygtig e-mobilitet og energilagringssystemer.
? Læs hele applikationsnoten her:
Få mere at vide om NETZSCH DSC-instrumenter og Kinetics Neo Software
