Εισαγωγή
Οι διαχωριστές διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθώς διαχωρίζουν φυσικά την άνοδο και την κάθοδο, ενώ επιτρέπουν τη διέλευση ιόντων λιθίου μεταξύ των ηλεκτροδίων. Χρησιμοποιούνται διαφορετικά υλικά και τεχνολογίες για τους διαχωριστές ώστε να ικανοποιούνται διαφορετικές απαιτήσεις ασφάλειας, επιδόσεων και κόστους. Μια συχνά χρησιμοποιούμενη ομάδα διαχωριστών στις μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι οι διαχωριστές πολυολεφίνης, καθώς είναι χημικά ανθεκτικοί στους ηλεκτρολύτες, εύκολοι στην παραγωγή και σχετικά οικονομικοί.
Στην περίπτωση των ανταγωνιστικών μελετών, ο χαρακτηρισμός και η ταυτοποίηση των διαχωριστών μπορεί να είναι ουσιώδης για τη διασφάλιση της ποιότητας και τη βελτίωση των επιδόσεων μιας μπαταρίας.
Δύο διαφορετικά φύλλα διαχωριστών διερευνήθηκαν με την τεχνική TGA-FT-IR για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς αποσύνθεσης και την ταυτοποίηση της σύνθεσης.
Μέτρηση και συζήτηση
Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Όργανο | NETZSCH TG Libra® συνδεδεµένο µε το Bruker FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Πρόγραµµα θερµοκρασίας | RT έως 850°C |
| Ρυθµός θέρµανσης | 10 K/min |
| Αέριο καθαρισμού | Άζωτο, 40 ml/min |
| Χωνευτήρια | Al2O3, 85 μl, ανοικτά |
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται μια σύγκριση των καμπυλών TGA (δείγμα Α: πράσινο- δείγμα Β: κόκκινο) δύο διαχωριστικών φύλλων. Και τα δύο δείγματα θερμάνθηκαν στους 850°C υπό αδρανή ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα την πλήρη πυρόλυση. Ως αποτέλεσμα, δεν μπόρεσε να προσδιοριστεί η περιεκτικότητα σε πυρολυτικό άνθρακα ή τέφρα. Ωστόσο, παρατηρήθηκε μια μικρή απόκλιση στη θερμοκρασία έναρξης της αποσύνθεσης (437°C για το δείγμα Α έναντι 447°C για το δείγμα Β). Συνεπώς, είναι πιθανό να χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά υλικά για τα εν λόγω διαχωριστικά φύλλα. Με τη βοήθεια της λειτουργίας c-DTA®®, μπόρεσαν επίσης να προσδιοριστούν τα σημεία τήξης αυτών των δύο δειγμάτων. Και πάλι εντοπίστηκε σημαντική διαφορά 116°C έναντι 168°C.
Το λιώσιμο του φύλλου διαχωρισμού είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό ασφαλείας για τις μπαταρίες. Στις σύγχρονες μπαταρίες, πολλοί διαχωριστές διαθέτουν τη λεγόμενη "λειτουργία διακοπής λειτουργίας". Αυτό σημαίνει ότι όταν υπερθερμαίνεται, ο διαχωριστής λιώνει ή κλείνει τους πόρους του, διακόπτοντας τη ροή ρεύματος και προστατεύοντας έτσι τη μπαταρία πριν συμβεί η επικίνδυνη θερμική διαφυγή.
Οι καμπύλες Gram Schmidt δείχνουν τις συνολικές εντάσεις IR. Βρίσκονται σε καλή συσχέτιση με τις καμπύλες TGA και DTG.
Η ταυτοποίηση του υλικού του διαχωριστή εκτελείται υποδειγματικά για το δείγμα Α. Η λειτουργία Identify του Proteus® περιέχει αρκετές χιλιάδες σύνολα δεδομένων μέτρησης για διαφορετικές μεθόδους θερμικής ανάλυσης και διαφορετικές κατηγορίες υλικών, τα οποία μπορούν να συγκριθούν με τα τρέχοντα δεδομένα. Εδώ, η καμπύλη TGA και το σημείο τήξης που προσδιορίζονται από το c-DTA® του δείγματος Α συγκρίνονται με τα δεδομένα της βιβλιοθήκης πολυμερών. Παρουσιάζουν μεγάλη ομοιότητα με το πολυπροπυλένιο (ροζ καμπύλες)- βλέπε σχήμα 2.
Ως πρόσθετη απόδειξη, τα φάσματα της αέριας φάσης που ανιχνεύθηκαν με το FT-IR στους 462°C συγκρίθηκαν με εκείνα της βάσης δεδομένων TGAFT- IR των πολυμερών, η οποία περιέχει τα φάσματα πυρόλυσης όλων των τυπικών πολυμερών. Διαπιστώθηκε και πάλι μεγάλη ομοιότητα με το πολυπροπυλένιο- βλέπε σχήμα 3.
Πριν από μια μέτρηση TGA-FT-IR, ένα φάσμα ATR-IR μπορεί επίσης να είναι χρήσιμο για την ταυτοποίηση. Το διαχωριστικό φύλλο τοποθετήθηκε στον αδαμαντένιο κρύσταλλο ATR και λήφθηκε φάσμα IR του στερεού υλικού- βλέπε σχήμα 4. Η σύγκριση του φάσματος με τη βιβλιοθήκη έδωσε επίσης υψηλή ομοιότητα με το πολυπροπυλένιο, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.
Περίληψη
Ο συνδυασμός ενός θερμοζυγίου (TGA) και ενός συστήματος FT-IR παρέχει ένα συμπληρωματικό σύνολο δεδομένων μέτρησης - όπως το σημείο τήξης, η συμπεριφορά αποσύνθεσης, η περιεκτικότητα σε τέφρα, η περιεκτικότητα σε πληρωτικό υλικό και η ταυτοποίηση των αερίων που απελευθερώνονται - από μία μόνο μέτρηση δείγματος. Σε αυτό το παράδειγμα, η θερμική σταθερότητα και το υλικό των φύλλων διαχωρισμού θα μπορούσαν να προσδιοριστούν χρησιμοποιώντας τη βιβλιοθήκη Identify, τη βάση δεδομένων TGA-FT-IR των πολυμερών και το φάσμα ATR της στερεάς ένωσης με μία μόνο ρύθμιση του οργάνου.