Introducción
Los separadores desempeñan un papel crucial en las baterías de iones de litio, ya que separan físicamente el ánodo y el cátodo al tiempo que permiten el paso de iones de litio entre los electrodos. Los separadores se fabrican con distintos materiales y tecnologías para satisfacer diferentes requisitos de seguridad, rendimiento y coste. Un grupo de separadores comúnmente utilizado en las baterías de iones de litio son los separadores de poliolefina, ya que son químicamente resistentes a los electrolitos, fáciles de producir y relativamente rentables.
En el caso de los estudios competitivos, la caracterización e identificación de los separadores puede ser esencial para garantizar la calidad y mejorar el rendimiento de una batería.
Se investigaron dos láminas separadoras diferentes mediante la técnica TGA-FT-IR para determinar el comportamiento de descomposición e identificar la composición.
Medición y debate
Las condiciones de medición se detallan en el cuadro 1.
Tabla 1: Condiciones de medición
| Instrumento | NETZSCH TG Libra® acoplado al Bruker FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Programa de temperatura | RT a 850°C |
| Velocidad de calentamiento | 10 K/min |
| Gas de purga | Nitrógeno, 40 ml/min |
| Crisoles | Al2O3, 85 μl, abierto |
La figura 1 muestra una comparación de las curvas TGA (muestra A: verde; muestra B: rojo) de dos láminas separadoras. Ambas muestras se calentaron a 850°C en atmósfera inerte, lo que dio lugar a una PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis completa. Como resultado, no se pudo identificar Carbón pirolíticoEl carbono pirolítico es el que se genera por la pirólisis de materia orgánica en una atmósfera sin oxígeno. carbono pirolítico ni Contenido en cenizasThe ash is a measure of the mineral oxide content on a weight basis. Thermogravimetric analysis (TGA) in an oxidative atmosphere is a well-proven method to determine the inorganic residue, commonly referred to ash, in organic materials such as polymers, rubbers, etc. Therefore, the TGA measurement will identify if a material is filled and calculates the total filler content.contenido en cenizas. Sin embargo, se observó una ligera desviación en la temperatura de inicio de la descomposición (437°C para la muestra A frente a 447°C para la muestra B). Por tanto, es probable que se utilizaran dos materiales diferentes para estas láminas separadoras. Con ayuda de la función c-DTA®, también se pudieron determinar los puntos de fusión de estas dos muestras. De nuevo, se detectó una diferencia significativa de 116°C frente a 168°C.
La fusión de la lámina separadora es un importante elemento de seguridad de las baterías. En las baterías modernas, muchos separadores tienen la llamada "función de apagado". Esto significa que, cuando se sobrecalienta, el separador se funde o cierra sus poros, deteniendo el flujo de corriente y protegiendo así la batería antes de que se produzca un peligroso desbordamiento térmico.
Las curvas Gram Schmidt muestran las intensidades IR totales. Están en buena correlación con las curvas TGA y DTG.
La identificación del material separador se realiza de forma ejemplar para la muestra A. La función Identify de Proteus® contiene varios miles de conjuntos de datos medidos para diferentes métodos de análisis térmico y diferentes clases de materiales que pueden compararse con los datos actuales. Aquí, la curva TGA y el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión determinados por c-DTA de la muestra A se comparan con los datos de la biblioteca de polímeros. Muestran una gran similitud con el polipropileno (curvas rosas); véase la figura 2.
Como prueba adicional, los espectros en fase gaseosa detectados por FT-IR a 462°C se compararon con los de la base de datos TGAFT- IR de polímeros, que contiene los espectros de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis de todos los polímeros típicos. De nuevo, se encontró una gran similitud con el polipropileno; véase la figura 3.
Antes de una medición TGA-FT-IR, un espectro ATR-IR también puede ser útil para la identificación. La lámina separadora se colocó en el cristal de diamante ATR y se tomó un espectro IR del material sólido; véase la figura 4. La comparación del espectro con la biblioteca también arrojó una gran similitud con el polipropileno, como se muestra en la figura 5.
Resumen
La combinación de una termobalanza (TGA) y un sistema FT-IR proporciona un conjunto complementario de datos de medición -como el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión, el comportamiento de descomposición, el contenido de cenizas, el contenido de relleno y la identificación de los gases liberados- a partir de una sola medición de la muestra. En este ejemplo, la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica y el material de las láminas separadoras pudieron identificarse utilizando la biblioteca Identify, la base de datos TGA-FT-IR de polímeros y el espectro ATR del compuesto sólido con una sola configuración de instrumentos.