Εισαγωγή
Η κυψέλη ιόντων λιθίου γίνεται όλο και πιο δημοφιλής. Προσφέρει μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος και χωρητικότητα και είναι επαναφορτιζόμενη. Υπάρχουν πολλές σύνθετες χημικές και φυσικές αλλαγές στο εσωτερικό της κυψέλης ως συνάρτηση του χρόνου, της θερμοκρασίας και του φορτίου κύκλου. Η ποσότητα της θερμότητας που απελευθερώνεται ή απορροφάται κατά τη διάρκεια αυτών των φυσικοχημικών αλλαγών και ο ρυθμός της αλλαγής της ενέργειας εντός της κυψέλης νομισμάτων παρέχει πρόσθετες πληροφορίες σχετικά με τη χημεία της κυψέλης και μπορεί να επιταχύνει τη διαδικασία ανάπτυξης μπαταριών.
Η θέρμανση των κυψελών κερμάτων και η προσεκτική παρακολούθηση της αποσύνθεσης παρέχει πληροφορίες όχι μόνο για την ασφάλεια αλλά και για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συμβαίνουν οι σχηματισμοί εντός της κυψέλης. Για παράδειγμα, μπορεί κανείς να δει καθαρά την αποσύνθεση της ενδιάμεσης φάσης στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) ως μία από τις πρώτες θερμικές υπογραφές της αποσύνθεσης της κυψέλης. Με την ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας, της ενέργειας και του ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας μπορεί να αξιολογηθεί η ισχύς του σχηματισμού SEI- όσο larger η κορυφή αποσύνθεσης τόσο περισσότερη ενέργεια αποθηκεύεται στο στρώμα SEI.
Η δοκιμή DSC του κυτταρικού υλικού είναι ένας αποδεδειγμένος τρόπος για την κατασκευή εγγενώς ασφαλέστερων κυττάρων και τη βελτίωση της ανάπτυξης. Η απόκτηση σαφών θερμοκρασιών έναρξης των κύριων εξώθερμων γεγονότων αποσύνθεσης εντός της κυψέλης, η μέτρηση της κινητικής αυτών των αποσυνθέσεων σε υψηλότερες θερμοκρασίες είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της συμπεριφοράς των διαφόρων χημικών στοιχείων της κυψέλης που εκτίθενται σε εσωτερικά βραχυκυκλώματα ή θερμά spots. Ο σχεδιασμός πιο ανθεκτικών χημικών συστημάτων είναι μια σημαντική οδός για την πρόληψη ή τον μετριασμό του κινδύνου και των κινδύνων που συνδέονται με τις αστοχίες στο πεδίο. Small επενδύσεις κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου ανάπτυξης μπορούν να έχουν large οικονομικά οφέλη κατά τη διάρκεια της ζωής του προϊόντος αργότερα.
Μια τέτοια δοκιμή DSC γινόταν παλαιότερα με την εξαγωγή υλικού κυψελίδας από μια κυψελίδα κέρματος και τη διεξαγωγή της δοκιμής σε μια συμβατική DSC. Τώρα, με την εμφάνιση της νέας μονάδας υψηλής θερμοκρασίας κυψελών νομισμάτων από το NETZSCH, η σάρωση DSC μπορεί να γίνει επί τόπου σε μια ολόκληρη μπαταρία κυψελών νομισμάτων. Αυτό το σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζει, για πρώτη φορά, μια σάρωση DSC μιας εμπορικής μπαταρίας ιόντων λιθίου με κυψέλες νομισμάτων από θερμοκρασία δωματίου έως 300°C.
Οργανολογία
Το νέο όργανο που χρησιμοποιήθηκε είναι η μονάδα κερματοκυψέλης υψηλής θερμοκρασίας στο NETZSCH Θερμιδόμετρο πολλαπλών μονάδων (MMC)Συσκευή θερμιδόμετρου πολλαπλών λειτουργιών που αποτελείται από μια βασική μονάδα και από εναλλάξιμες μονάδες. Μια μονάδα είναι προετοιμασμένη για θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC), η ARC-Μονάδα. Μια δεύτερη χρησιμοποιείται για δοκιμές σάρωσης (Scanning Module) και μια τρίτη σχετίζεται με δοκιμές μπαταριών για κυψέλες νομισμάτων (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus® (εικόνα 1). Πρόκειται για το μοναδικό στον κόσμο σύστημα που μοιάζει με DSC για τον επανέλεγχοarch και τον ποιοτικό έλεγχο της μπαταρίας κερματοκυψελών. Το βασικό στοιχείο αυτού του νέου οργάνου είναι ο αισθητήρας (εικ. 2 και 3). Διαθέτει καινοτόμο σχεδιασμό διαφορικής μέτρησης με βάση θερμοπύλες για βελτιωμένη ευαισθησία και σταθερότητα της μέτρησης της ροής θερμότητας. Έχει σχεδιαστεί για να συγκρατεί μια πρότυπη ή πρωτότυπη μπαταρία κυψελών κερμάτων ως δείγματα ή ως αναφορά. Ο εξωτερικός κυκλοποιητής μπαταριών μπορεί να συνδεθεί εύκολα με το όργανο μέσω ενός βύσματος LEMO plug-andplay. Η ισόθερμη κυκλική ανακύκλωση της κυψέλης νομισμάτων μπορεί εύκολα να εκτελεστεί υπό διάφορες συνθήκες φόρτισης/εκφόρτισης. Το νέο στιβαρό όργανο μπορεί επίσης να κάνει σάρωση DSC σε ολόκληρη κυψέλη νομισμάτων, κάτι που δεν ήταν δυνατό προηγουμένως.
Αποτελέσματα
Μια σάρωση DSC μιας εμπορικής κυψέλης ιόντων λιθίου LiR2032 από θερμοκρασία δωματίου έως 300°C διεξήχθη με ταχύτητα 1K/min χρησιμοποιώντας τη μονάδα HT Coin Cell Module. Το Σχήμα 4 είναι το αποτέλεσμα της ροής θερμότητας. Πρόκειται για τα πρώτα δεδομένα αυτού του είδους στον κόσμο. Δείχνει πολλαπλές αντιδράσεις κατά την αποσύνθεση της κυψέλης νομισμάτων κατά τη θέρμανση. Είναι προφανές ότι η εξώθερμη αποσύνθεση SEI ακολουθείται από την τήξη του διαχωριστή στους 130°C περίπου (απότομο ενδόθερμο γεγονός). Αυτή η ενδόθερμη συμβαίνει σχεδόν ταυτόχρονα με την αντίδραση μεταξύ ηλεκτρολύτη και λιθίου. Η αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη και η αντίδραση μεταξύ λιθίου και συνδετικού υλικού συμβαίνουν σε υψηλότερη θερμοκρασία.
Το αποτέλεσμα αυτό συμφωνεί με τη δημοσιευμένη προσομοίωση DSC των διαφόρων συστατικών της κυψέλης (σχήμα 5) [1]. Στο σχήμα 6 παρουσιάζεται η εικόνα της κυψέλης νομίσματος πριν και μετά τη δοκιμή. Η κυψέλη διαλύθηκε σαφώς από την υψηλή θερμοκρασία, όπως αναμενόταν. Όμως ο αισθητήρας της κυψέλης νομισμάτων HT ήταν άθικτος λόγω του στιβαρού σχεδιασμού του.
Συμπέρασμα
Η νέα μονάδα HT Coin Cell Module στο NETZSCH Θερμιδόμετρο πολλαπλών μονάδων (MMC)Συσκευή θερμιδόμετρου πολλαπλών λειτουργιών που αποτελείται από μια βασική μονάδα και από εναλλάξιμες μονάδες. Μια μονάδα είναι προετοιμασμένη για θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC), η ARC-Μονάδα. Μια δεύτερη χρησιμοποιείται για δοκιμές σάρωσης (Scanning Module) και μια τρίτη σχετίζεται με δοκιμές μπαταριών για κυψέλες νομισμάτων (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus® έχει ανοίξει νέες ευκαιρίες για την επαναχρησιμοποίηση της μπαταρίας κυψελών νομισμάτωνarch. Ο καινοτόμα σχεδιασμένος αισθητήρας καθιστά δυνατή τη δοκιμή ολόκληρης της κυψέλης νομισμάτων. Μια σάρωση DSC έως 300°C είναι πλέον εφικτή σε μια κυψέλη νομισμάτων. Μπορούν να ανιχνευθούν πολλαπλά γεγονότα κατά την αποσύνθεση της κυψέλης. Τέτοιες πληροφορίες θα βοηθήσουν τους επιστήμονες μπαταριών να κατανοήσουν τι θα συμβεί όταν η κυψέλη υπόκειται σε υψηλή θερμοκρασία ή σε εσωτερικό βραχυκύκλωμα, ώστε να μπορούν να σχεδιάσουν κυψέλες με υψηλότερη απόδοση και καλύτερη ασφάλεια.