03.09.2025 von Aileen Sammler
Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien: Thermische und kinetische Analyse von LiPF₆-Elektrolyten mit NETZSCH DSC & Kinetics Neo
Erfahren Sie, wie das NETZSCH dynamische Differenzkalorimeter (DSC) und Kinetics Neo die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien verbessern – durch Analyse der thermischen und kinetischen Stabilität von LiPF₆-basierten Elektrolyten. Vermeiden Sie thermisches Durchgehen und optimieren Sie die Leistung.
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind das Fundament moderner Technologien: vom Smartphone über Elektrofahrzeuge bis hin zur stationären Energiespeicherung. Mit dem weltweiten Marktwachstum steigen die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit. Die aktuelle EU-Batterieverordnung 2023 und internationale Normen schreiben detaillierte Tests zur thermischen Sicherheit von Batterien vor.
Im Zentrum steht der Elektrolyt – und hier insbesondere LiPF₆ in Carbonat-Lösungsmitteln. LiPF₆ bietet zwar eine hohe Ionenleitfähigkeit und Kompatibilität mit Graphitanoden, weist jedoch thermische und chemische Instabilität auf. Dies kann zu thermischem Durchgehen führen, einer der größten Sicherheitsrisiken bei Elektrofahrzeugen und Großspeichern.
Eine aktuelle Untersuchung mit einer NETZSCH DSC in Kombination mit der Kinetics Neo-Software liefert wichtige Einblicke in die Stabilität und Kinetik von LiPF₆-basierten Elektrolyten.
Zentrale Ergebnisse der Studie
Thermische Ereignisse in der DSC
Die Analyse des LiPF₆-Elektrolyten (EMC+DMC+EC, 1:1:1) ergab mehrere Effekte oberhalb von 190 °C:
- Endothermer Peak (≈230 °C) → Zersetzung von LiPF₆, lösungsmittelspezifische Wechselwirkungen
- Exothermer Peak (≈250 °C) → Wechselwirkung mit EC, Ringspaltung
- Breiter exothermer Peak (≈290 °C) → Polymerisation, Bildung PEO-ähnlicher Polymere, CO₂-Freisetzung
Kinetische Auswertung mit der Kinetics Neo Software
- Ein dreistufiges Reaktionsmodell wurde identifiziert, mit Aktivierungsenergien von 146,3, 137,2 und 118,6 kJ/mol.
- Das Modell zeigte eine sehr hohe Genauigkeit (R² = 0,997), was auf einen hervorragenden Übereinstimmungsgrad zwischen experimentellen und simulierten Daten hinweist
Vorhersagen für reale Bedingungen
- Isotherme Vorhersage: Zersetzungsbeginn nach ≈1 Tag bei 150 °C, nach ≈9 Tagen bei 130 °C und nach ~24 Tagen bei 120 °C.
- Adiabatische Bedingungen: Thermisches Durchgehen / Thermal runawayEin thermisches Durchgehen ist eine Situation, in der ein chemischer Reaktor bezüglich der durch die chemische Reaktion verursachten Temperatur- und/oder Druckerzeugung außer Kontrolle geraten ist. Die Simulation eines thermischen Durchgehens wird in der Regel mit einem Kalorimeter gemäß der Accelerated Rate Calorimetry (ARC®) durchgeführt.Thermisches Durchgehen bereits nach ≈5 Tagen bei 150 °C.
Bedeutung für die heutige Batterieindustrie
- Sicherheitsaspekte sind entscheidend für Elektromobilität und Energiespeicher.
- Gesetzliche Anforderungen machen detaillierte Stabilitätsanalysen unverzichtbar.
- Materialentwickler können Elektrolyte optimieren und die Lebensdauer von LIBs verlängern.
Durch die Kombination von dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) und Kinetics Neo-Software liefert NETZSCH ein leistungsstarkes Werkzeug, um das Verhalten von Batterieelektrolyten realitätsnah vorherzusagen.
Vorteile der NETZSCH DSC für die Batterieforschung
Die NETZSCH DSC 300 Caliris® überzeugt durch hohe Empfindlichkeit und Flexibilität und ist somit das ideale Werkzeug für die Analyse von Batterieelektrolyten und -materialien.
Gerade im Hinblick auf die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht die DSC die präzise Bestimmung von Phasenübergängen, Zersetzungstemperaturen und Wärmefluss-Effekten – entscheidende Parameter zur Identifizierung des Beginns eines thermischen Durchgehens. Dank ihres modularen Designs und hochdruckbeständiger Tiegel liefert die Caliris® auch bei flüchtigen Elektrolytsystemen verlässliche Ergebnisse.
Vorteile von Kinetics Neo in der Batteriesicherheitsanalyse
Die Kinetics Neo-Software erweitert DSC-Messungen, indem sie vorhersagbare Simulationen unter realitätsnahen Bedingungen ermöglicht. Für Batterieentwickler bedeutet dies, dass Daten aus nur DSC-Messungen mit verschiedenen Heizraten ausreichen, um die isotherme Lagerstabilität, adiabatische Bedingungen bei varrierenden Temperaturprofilen zu modellieren.
So lassen sich Aussagen über das Verhalten während des Betriebs, des Transports oder von Missbrauchsszenarien treffen – ein entscheidender Beitrag zur Entwicklung sicherer und langlebiger Batteriesysteme.
Fazit
Die Ergebnisse zeigen: Mit der NETZSCH DSC und Kinetics Neo können Forschende und Ingenieure die thermische und kinetische Stabilität von LiPF₆-Elektrolyten präzise bewerten. Dies unterstützt die Branche dabei, thermisches Durchgehen zu verhindern, Sicherheitsstandards einzuhalten und die Zukunft sicherer, nachhaltiger Elektromobilität mitzugestalten.
? Lesen Sie die vollständige Applikation Note hier:
Erfahren Sie mehr über die NETZSCH DSC Analysegeräte
