Estabilidad térmica del electrolito de las baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio se han convertido en un elemento de uso cotidiano, tanto si somos conscientes de ello como si no. Pueden alimentar desde nuestros teléfonos móviles y ordenadores portátiles hasta elementos de mayor tamaño, como vehículos eléctricos y aviones. A menudo oímos historias negativas sobre accidentes que ocurren con ellas, como que las baterías se incendien. Uno de los componentes de las baterías de iones de litio que suele ser responsable de estos efectos perjudiciales es el electrolito.

Experimental

En el siguiente estudio, se realizaron varios experimentos mediante TGA, DSC y análisis de gases evolucionados para investigar un electrolito de uso común (1,0 M _LiPF6 en EC/DEC=50/50 (v/v) adquirido a Sigma-Aldrich) sometiéndolo a exposición a la atmósfera ambiente (_N2, _O2, _H2O,_CO2, etc.).las muestras se prepararon en una bolsa de guantes purgada con argón utilizando aproximadamente de 8 a 10 mg de solución electrolítica pipeteada en crisoles de aluminio de 40 μl que se sellaron con tapas de crisol de aluminio que tenían un orificio perforado de 50 μm cortado con láser para permitir la ventilación de los gases. Las muestras se cargaron y midieron con el NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® acoplado a un QMS 403 Aëolos^®utilizando una velocidad de calentamiento de ^5oC/miny argón como gas de purga. Se realizó calorimetría diferencial de barrido (DSC) para controlar los cambios en la composición del electrolito. Se utilizó análisis termogravimétrico (TGA) para medir 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 las temperaturas de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición, mientras que el análisis de gases evolucionados (EGA) mediante espectrometría de masas (MS) identificó los productos liberados.

Las curvas TGA-DSC-DTG de EC-DEC-LiPF6 sin tratar demuestran el comportamiento térmico y la pérdida de masa a temperaturas críticas. — Figura 1: Gráficos TGA-DSC-DTG de EC-DEC-LiPF6 sin tratar

Las curvas de corriente iónica de la EM muestran datos de carbonato de dietilo (DEC) en los números másicos 45, 59, 63, 75 y 91, lo que indica un análisis de estabilidad térmica. — Figura 2: Curvas de corriente iónica de EM 45, 59, 63, 75 y 91 correspondientes a DEC

Análisis del espectro de masas del carbonato de dietilo (DEC), destacando los picos de iones clave para una identificación precisa y una evaluación de la estabilidad. — Figura 3: Espectro de masas de DEC

Resultados y debate

La figura 1 muestra las curvas TGA (verde), DTG (marrón) y DSC (azul) de una muestra de electrolito sin tratar compuesta por carbonato de etileno (EC), carbonato de dietilo (DEC) y hexafluorofosfato de litio (_LiPF6).la pérdida de masa inicial puede atribuirse a la evaporación del carbonato de dietilo, ya que los números de masa asociados a este compuesto (45, 59, 63, 75 y 91) alcanzan su máximo en torno a los ^150oC, como puede verse en la Figura 2, con el espectro de masas de la biblioteca NIST del carbonato de dietilo que se muestra en la Figura 3.

Cuando este electrolito se expone a la atmósfera ambiente, la estabilidad y la composición comienzan a cambiar. La transformación se puede observar en las figuras 4 y 5, donde las señales DSC y TGA del electrolito no tratado se representan junto con las señales de las muestras de electrolito que se expusieron a la atmósfera ambiente durante distintos periodos de tiempo. El análisis de gases evolucionados (figura 6) confirma los cambios radicales en comparación con la muestra no tratada, ya que el mayor indicador fue que los números de masa correspondientes a DEC (45, 59, 63, 75 y 91) ya no estaban presentes en la muestra expuesta.

Balas comprimidas de cartones de bebidas junto a los gráficos de análisis térmico, que muestran las mezclas de polímeros en las pruebas de reciclado. — Figura 4: Comparación de las curvas TGA de EC-DEC-LiPF6 con diferentes tiempos de exposición

Comparación de la curva DSC del electrolito EC-DEC-LiPF6 con distintos tiempos de exposición, lo que pone de manifiesto la estabilidad térmica. — Figura 5: Comparación de las curvas DSC de EC-DEC-LiPF6 con diferentes tiempos de exposición

Comparación de las señales de TGA y MS para muestras de electrolito de baterías de iones de litio no tratadas y expuestas, destacando los cambios de estabilidad. — Figura 6: Comparación de las señales TGA y MS de una muestra de electrolito no tratada y expuesta

Conclusión

Los electrolitos de las baterías de iones de litio son materiales conocidos por su sensibilidad a la exposición a los gases atmosféricos del ambiente. Como se muestra, los analizadores térmicos y de gases evolucionados pueden utilizarse para investigar esta propiedad del material que, en última instancia, podría comprometer la funcionalidad y la seguridad del producto. La nota de aplicación completa está disponible aquí