Θερμική σταθερότητα του ηλεκτρολύτη μπαταρίας ιόντων λιθίου

Ένα από τα συστατικά που βρίσκονται σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου και που συνήθως ευθύνονται για ατυχήματα είναι ο ηλεκτρολύτης. Στο άρθρο που ακολουθεί, πραγματοποιήθηκαν διάφορα πειράματα μέσω TGA, DSC και ανάλυσης εξελιγμένων αερίων για τη διερεύνηση της σύνθεσης, της θερμικής σταθερότητας και τον εντοπισμό των προϊόντων που απελευθερώνονται.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι πλέον ένα σταθερό αντικείμενο καθημερινής χρήσης είτε το γνωρίζουμε είτε όχι. Μπορούμε να τις βρούμε να τροφοδοτούν τα κινητά μας τηλέφωνα (κινητά τηλέφωνα), τους φορητούς υπολογιστές έως larger αντικείμενα όπως τα ηλεκτρικά οχήματα και τα αεροπλάνα. Συχνά ακούμε αρνητικές ιστορίες για ατυχήματα που συμβαίνουν με αυτές, όπως οι μπαταρίες που παίρνουν φωτιά. Ένα από τα συστατικά που βρίσκονται σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου και είναι συνήθως υπεύθυνο για αυτές τις βλαβερές συνέπειες είναι ο ηλεκτρολύτης.

Πειραματικό

Στην ακόλουθη μελέτη, πραγματοποιήθηκαν διάφορα πειράματα μέσω TGA, DSC και ανάλυσης εξελιγμένων αερίων για τη διερεύνηση ενός ευρέως χρησιμοποιούμενου ηλεκτρολύτη (1,0 M _LiPF6 σε EC/DEC=50/50 (v/v) που αποκτήθηκε από τη Sigma-Aldrich), εκθέτοντάς τον σε ατμόσφαιρα περιβάλλοντος (_N2, _O2,_H2O,_CO2 κ.λπ.).τα δείγματα παρασκευάστηκαν σε σάκο γαντιών που καθαριζόταν με αργό χρησιμοποιώντας περίπου 8 έως 10 mg διαλύματος ηλεκτρολύτη που διοχετεύθηκαν με πιπέτα σε χωνευτήρια αλουμινίου 40 μl τα οποία σφραγίστηκαν με καπάκια χωνευτηρίων αλουμινίου που είχαν μια τρύπα 50 μm που είχε κοπεί με λέιζερ για να επιτρέπει την εκτόνωση των αερίων. Τα δείγματα φορτώθηκαν και μετρήθηκαν με το NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® συνδεδεμένο με ένα QMS 403 Aëolos^® χρησιμοποιώντας ρυθμό θέρμανσης ^5oC/minκαι αργό ως αέριο καθαρισμού. Πραγματοποιήθηκε θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης (DSC) για την παρακολούθηση των αλλαγών στη σύνθεση του ηλεκτρολύτη. Η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της θερμικής σταθερότητας και των θερμοκρασιών αποσύνθεσης, ενώ η ανάλυση εξελιγμένων αερίων (EGA) μέσω φασματομετρίας μάζας (MS) προσδιόρισε τα απελευθερούμενα προϊόντα.

Σχήμα 1: Διαγράμματα TGA-DSC-DTG του μη επεξεργασμένου EC-DEC-LiPF6

Σχήμα 2: Καμπύλες ρεύματος ιόντων MS 45, 59, 63, 75 και 91 που αντιστοιχούν σε DEC

Αποτελέσματα και συζήτηση

Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται οι καμπύλες TGA (πράσινο), DTG (καφέ) και DSC (μπλε) ενός μη επεξεργασμένου δείγματος ηλεκτρολύτη που αποτελείται από ανθρακικό αιθυλένιο (EC), ανθρακικό διαιθυλεστέρα (DEC) και εξαφθοροφωσφορικό λίθιο (_LiPF6).η αρχική απώλεια μάζας μπορεί να αποδοθεί στην εξάτμιση του ανθρακικού διαιθυλεστέρα, καθώς οι αριθμοί μάζας που σχετίζονται με αυτή την ένωση (45, 59, 63, 75 και 91) βρέθηκαν να κορυφώνονται γύρω στους ^150oC, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, ενώ το φάσμα μάζας NIST library του ανθρακικού διαιθυλεστέρα παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.

Όταν αυτός ο ηλεκτρολύτης εκτίθεται σε ατμόσφαιρα περιβάλλοντος, η σταθερότητα και η σύνθεση αρχίζουν να αλλάζουν. Ο μετασχηματισμός μπορεί να φανεί στα Σχήματα 4 και 5, όπου τα σήματα DSC και TGA του μη επεξεργασμένου ηλεκτρολύτη απεικονίζονται μαζί με τα σήματα των δειγμάτων ηλεκτρολύτη που εκτέθηκαν σε ατμόσφαιρα περιβάλλοντος για διάφορες διάρκειες. Η ανάλυση εξελιγμένων αερίων (Σχήμα 6) επιβεβαιώνει τις ριζικές αλλαγές σε σύγκριση με το μη επεξεργασμένο δείγμα, καθώς η μεγαλύτερη ένδειξη ήταν ότι οι αριθμοί μάζας που αφορούσαν το DEC (45, 59, 63, 75 και 91) δεν υπήρχαν πλέον στο εκτεθειμένο δείγμα.

Σχήμα 4: Σύγκριση των καμπυλών TGA του EC-DEC-LiPF6 με διαφορετικούς χρόνους έκθεσης

Σχήμα 5: Σύγκριση των καμπυλών DSC του EC-DEC-LiPF6 με διαφορετικούς χρόνους έκθεσης

Σχήμα 6: Σύγκριση των σημάτων TGA και MS ενός μη επεξεργασμένου και ενός εκτεθειμένου δείγματος ηλεκτρολύτη

Συμπέρασμα

Οι ηλεκτρολύτες των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι γνωστά υλικά που είναι ευαίσθητα στην έκθεση σε ατμοσφαιρικά αέρια του περιβάλλοντος. Όπως φαίνεται, οι αναλυτές θερμικών και εξελιγμένων αερίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διερεύνηση αυτής της ιδιότητας του υλικού που θα μπορούσε τελικά να θέσει σε κίνδυνο τη λειτουργικότητα και την ασφάλεια του προϊόντος. Το πλήρες σημείωμα εφαρμογής είναι διαθέσιμο εδώ!