Εισαγωγή
Οι ηλεκτρολύτες των μπαταριών διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην αποθήκευση ενέργειας και αποτελούν βασικό συστατικό των σύγχρονων τεχνολογιών μπαταριών. Οι ουσίες αυτές επιτρέπουν τη ροή ιόντων μεταξύ των ηλεκτροδίων, η οποία είναι απαραίτητη για τη φόρτιση και την εκφόρτιση της μπαταρίας. Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα στους ηλεκτρολύτες των μπαταριών έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο προς την κατεύθυνση της βελτίωσης της απόδοσης, της ασφάλειας και της διάρκειας ζωής των μπαταριών. Με την αυξανόμενη σημασία των ηλεκτρικών οχημάτων και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η κατανόηση και η πρόοδος των ηλεκτρολυτών είναι κεντρικής σημασίας για ένα βιώσιμο ενεργειακό μέλλον.
Ωστόσο, πρέπει να ληφθούν υπόψη και να διερευνηθούν κίνδυνοι όπως η υπερθέρμανση ή η θερμική διαφυγή. Η θερμική ανάλυση παρέχει εικόνα των θερμικών ιδιοτήτων, όπως η μετάβαση φάσης ή η αποσύνθεση, αυτών των υλικών.
Αντιπροσωπεύοντας τους πολυάριθμους ηλεκτρολύτες μπαταριών, το ευρέως χρησιμοποιούμενο εξαφθοροαρσενικό λίθιο (LiAsF6) εξετάστηκε για θερμικές επιδράσεις και μεταβολές μάζας με ταυτόχρονη θερμική ανάλυση.
Συνθήκες μέτρησης
Λόγω των υγροσκοπικών ιδιοτήτων του LiAsF6, το δείγμα παρασκευάστηκε στο θάλαμο γαντιών υπό αργό για να αποφευχθεί η απορρόφηση νερού από το υλικό. Η μέτρηση STA πραγματοποιήθηκε επίσης σε γκλόουμπο καθαρισμένο από αργό. Αναλυτικές παράμετροι μέτρησης παρατίθενται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Παράμετρος μέτρησης που χρησιμοποιήθηκε για την έρευνα με το STA 449 Jupiter®
| Παράµετρος | Δείγμα LiAsF6 |
|---|---|
| Βάρος δείγματος | 12.1 mg |
| Χωνευτήρι | Concavus® Al, διάτρητο καπάκι |
| Αισθητήρας | TGA-DSC Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp, τύπου S |
| Φούρνος | SiC |
| Πρόγραµµα θερµοκρασίας | RT έως 600°C |
| Ρυθμός θέρμανσης | 10 K/min |
| Ατµόσφαιρα αερίου | Αργό |
| Ροή αερίου | 70 ml/min |
Αποτελέσματα μέτρησης
Τα αποτελέσματα της TGA-DSC απεικονίζονται στο σχήμα 1. Η καμπύλη απώλειας μάζας παρουσιάζει δύο βήματα 1,1% και 81,7%. Το πρώτο βήμα απώλειας μάζας μπορεί πιθανώς να αποδοθεί στην απελευθέρωση υγρασίας. Το δεύτερο βήμα απώλειας μάζας οφείλεται στη διάσπαση του LiAsF6. Από την καμπύλη DSC ανιχνεύονται δύο ενδόθερμες επιδράσεις με θερμοκρασίες κορυφής 122,8°C και 497,7°C και ενθαλπίες 25,18 J/g και 337 J/g, οι οποίες συσχετίζονται με τα βήματα απώλειας μάζας. Εκτός αυτού, σε θερμοκρασία 265°C, μπορεί να εντοπιστεί αντιστρεπτή μετάβαση φάσης στερεού-στερεού του LiAsF6 από ρομβοεδρική φάση σε κυβική1.
1Gavrichev, K.S., Sharpataya, G.A., Gorbunov, V.E. et al. Thermodynamic Properties and Decomposition of Lithium Hexafluoroarsenate, LiAsF6. Inorganic Materials 39, 175-182 (2003). https://doi.org/10.1023/A:1022102914631
Περίληψη
Ο χαρακτηρισμός των ενεργειακών επιδράσεων και της αποσύνθεσης του ηλεκτρολύτη LiAsF6 της μπαταρίας πραγματοποιήθηκε με επιτυχία με ταυτόχρονη θερμική ανάλυση. Χάρη στη δυνατότητα πραγματοποίησης της προετοιμασίας του δείγματος και της μέτρησης STA μέσα σε θάλαμο προστασίας, ακόμη και υλικά που διαφορετικά θα αντιδρούσαν με την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα - όπως το υλικό LiAsF6 που διερευνήθηκε - μπορούν να μετρηθούν με επιτυχία. Με βάση τα δεδομένα που ελήφθησαν, διαπιστώνεται ότι το LiAsF6 παραμένει σταθερό μέχρι το μετασχηματισμό της φάσης στερεού-στερεού στους 265°C περίπου. Σε θερμοκρασίες άνω των 300°C, το υλικό αποσυντίθεται υπό αδρανείς συνθήκες. Οι πληροφορίες αυτές παρέχουν πρόσθετες γνώσεις όσον αφορά πιθανούς κινδύνους όπως η υπερθέρμανση και η θερμική διαφυγή.
Όλα τα όργανα NETZSCH μπορούν να λειτουργήσουν σε θάλαμο προστασίας, επιτρέποντας την ανάλυση υλικών που είναι ευαίσθητα στις περιβαλλοντικές συνθήκες ή έχουν τοξικές ιδιότητες. Με τη χρήση ενός glovebox, τα υλικά αυτά μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία και ανάλυση υπό ελεγχόμενες συνθήκες, απομονωμένα από το περιβάλλον. Αυτό επιτρέπει τη λήψη πειραματικών αποτελεσμάτων που δεν θα ήταν δυνατά χωρίς αυτά τα προστατευτικά μέτρα, καθώς το υλικό διατηρεί τις ιδιότητές του, ενώ εξασφαλίζεται η ανθρώπινη ασφάλεια.