Johdanto
Akun erottimet ovat sähkökemiallisissa energian varastointijärjestelmissä keskeisiä komponentteja, jotka tarjoavat Ionic johtavuuden ja estävät samalla elektrodien välisen sähköisen kosketuksen. Niiden rakenne ja vakaus vaikuttavat suoraan akkujen suorituskykyyn, kestävyyteen ja turvallisuuteen.
Erilaisista erottimien rakenteista keraamiset polymeerikomposiittierottimet ja paperipohjaiset erottimet ovat saaneet yhä enemmän huomiota kehittyneissä sovelluksissa. Keraami-polymeerikomposiiteissa epäorgaaniset hiukkaset, kuten alumiinioksidi, piidioksidi tai zirkoniumoksidi, on upotettu polymeerimatriisiin. Tämä hybridirakenne parantaa mekaanista lujuutta, elektrolyytin kostutuskykyä ja ennen kaikkea lämpöstabiilisuutta. Keraaminen faasi toimii lämmönkestävänä runkona, joka säilyttää mittasuhteet korkeissa lämpötiloissa, mikä vähentää kutistumisen tai huokosten romahtamisen riskiä, joka muutoin voisi aiheuttaa sisäisiä oikosulkuja. Elektronireitti on myös irreversiibelisti poikki näissä lämpötiloissa, jotka ovat paljon ennen sitä pistettä, jossa lämpökarkumatka voi tapahtua.
Paperipohjaiset erottimet, jotka on tyypillisesti valmistettu selluloosasta tai synteettisistä kuiduista, muodostavat toisen lupaavan materiaaliluokan. Niiden kuituverkko tarjoaa erinomaisen elektrolyytin imeytymisen ja tasaiset ionien siirtoreitit. Lisäksi nämä erottimet ovat kevyitä ja kestäviä, ja niiden huokoisuutta ja paksuutta voidaan muokata. Niiden terminen ja kemiallinen kestävyys riippuu kuitenkin suuresti kuitukoostumuksesta ja mahdollisista pintamodifikaatioista tai pinnoitteista, jotka on suunniteltu kestämään korkean lämpötilan ympäristöjä.
Molempien erotintyyppien LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus on kriittinen tekijä akun turvallisen toiminnan kannalta. Ylikuumenemisessa tai väärinkäyttöolosuhteissa erottimien on säilytettävä muotonsa ja mekaaninen eheytensä elektrodikontaktin estämiseksi. Mitanmuutosten ja pehmenemiskäyttäytymisen ymmärtäminen korkeissa lämpötiloissa on siksi olennaista turvallisuusmarginaalien arvioimiseksi.
Termomekaaninen analyysi (TMA) on arvokas työkalu tähän tarkoitukseen. Mittaamalla erottimen näytteiden lämpölaajenemista, kutistumista tai muodonmuutoksia lämpötilan funktiona TMA antaa tietoa näytteiden lämpövasteesta ja rakenteellisista siirtymistä. Tällaiset mittaukset auttavat vertailemaan eri erottimien koostumuksia, ohjaamaan materiaalien parannuksia ja varmistamaan luotettavan suorituskyvyn vaativissa lämpöolosuhteissa.
Termogravimetria (TGA) antaa tärkeää tietoa akkuerottimien lämpöstabiilisuudesta ja hajoamiskäyttäytymisestä. Näiden prosessien ymmärtäminen auttaa Identify erottimien koostumuksia, jotka kestävät hajoamista ja säilyttävät rakenteellisen eheytensä korkeissa lämpötiloissa. TGA-tiedot tukevat näin ollen turvallisempaa separaattorisuunnittelua ja auttavat asettamaan käyttörajat akkujen luotettavan suorituskyvyn varmistamiseksi.
Mittausolosuhteet
TGA-mittausolosuhteet on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1 ja TMA-mittausolosuhteet taulukossa 2.
Taulukko 1: TGA-mittausolosuhteet
| Laite | STA Jupiter® series |
|---|---|
| Uuni | SiC |
| Näytteen kantaja | TGA-tappi, tyyppi S |
| Upokas | 300 μl, Al2O3 upokas, avoin |
| Näytteen massa | 20.26 mg (paperierotin) 14.60 mg (komposiittierotin) |
| Kaasuvirtaus | 100 ml/min |
| Kaasuilmakehä | Inertti/5% happea |
| Lämpötilaohjelma | RT - 600°C, 10 K/min |
Taulukko 2: TMA-mittausolosuhteet
| Laite | TMA Hyperion® series |
|---|---|
| Uuni | Teräs |
| Näytteenpidin | SiO2, jännitys |
| Näytteen pituus | ~ 10 mm |
| Voima | 1 mN |
| Kaasun virtaus | 50 ml/min |
| Kaasuilmakehä | Typpi |
| Lämpötilaohjelma | RT - 400°C, 5 K/min |
Mittaustulokset ja keskustelu
Eri erotintyyppien lämpöstabiilisuutta tutkittiin TGA-kokeilla eri olosuhteissa. Kuvassa 1 esitetään polymeeripinnoitetusta keramiikasta valmistetun komposiittierottimen ja paperierottimen TGA-käyrien vertailu inertissä tilassa. Paperierottimessa on 2,1 prosentin massahäviö 150 °C:n lämpötila-alueella, mikä voi liittyä kosteuspitoisuuteen. Molemmat erottimet alkavat hajota yli 220 °C:n lämpötilassa. Paperierottimen osalta 78 prosenttia alkuperäisestä massasta menetettiin pyrolyysin seurauksena. Jäljelle jäi vain pyrolyyttistä hiiltä. Komposiittierottimessa vain polymeerisisältö pyrolysoitui (massahäviö noin 18 %), kun taas keraaminen osa ja tuotettu pyrolyysihiili säilyivät.
Vähäisen happipitoisuuden läsnä ollessa (esim. katodimateriaalin hajoamisen seurauksena) TGA:n suuntaus poikkeaa merkittävästi käyttäytymisestä inertissä ilmakehässä. Kun happipitoisuus on 5 %, jäännöshiilen palaminen on päällekkäin orgaanisen sisällön pyrolyyttisen hajoamisen kanssa; ks. kuva 2.
Kuvassa 3 esitetään samat TGA-tiedot kahdesta erottimesta happea sisältävässä ilmakehässä sekä massaspektrometrin tallentamatH2O-(m/z 18) jaCO2- (m/z 44) jäljet. Kehittyneiden kaasujen analyysi todistaa veden vapautumisen paperierottimen ensimmäisen massahäviämisvaiheen aikana ja veden ja hiilidioksidin samanaikaisen vapautumisen pääasiallisen massahäviämisvaiheen aikana.
Eri erotintyyppien mekaanista vakautta tutkittiin TMA-kokeilla. Kuvassa 4 on vertailtu paperierottimen (punainen) ja komposiittierottimen (sininen) lämpölaajenemista. Mittaukset suoritettiin inertissä ilmakehässä. Komposiittierotin pysyy mekaanisesti vakaana koko mittauksen ajan. Vain pientä kutistumista havaittiin mittauksen lopussa, 400 °C:n lämpötilassa. Sitä vastoin paperierottimessa havaitaan pituuden pienenemistä heti mittauksen alussa.
Tämä johtuu materiaalin kuivumisesta. Korkeammissa lämpötiloissa molempien erottimien orgaanisten osien PyrolyysiPyrolyysi on orgaanisten yhdisteiden lämpöhajoamista inertissä ilmakehässä.pyrolyysi alkaa, mikä johtaa paperierottimen mekaanisen vakauden heikkenemiseen 333 °C:ssa (ekstrapoloitu alkamislämpötila). Pyrolyysin aiheuttama massahäviö ja mekaanisen stabiilisuuden heikkeneminen tapahtuvat samankaltaisella lämpötila-alueella, kuten kuvasta 5 nähdään, jossa verrataan paperierottimen TGA- ja TMA-käyriä.
Yhteenveto
TGA-MS- ja TMA-mittaukset tarjoavat luotettavan keinon ennustaa separaattoreiden käyttäytymistä litiumioniakkujen lämpötapahtumissa, kuten väärinkäytön (esim. nopea lataus/purku, oikosulku) tai teknisen vian aiheuttamissa tapahtumissa. Tässä tutkimuksessa keraamisella pinnoitteella päällystetty polymeerierotin osoitti huomattavasti suurempaa lämpö- ja rakenteellista vakautta kuin paperierotin, sillä se säilytti eheytensä 400 °C:een asti, kun taas paperierotin menetti mekaanisen vakautensa jo alhaisemmissa lämpötiloissa.
Lisäksi TGA-MS- ja TMA-analyysit ovat arvokkaita luonnehdittaessa koskemattomia materiaaleja, jotta Identify voidaan tehdä tarvittavat esikäsittelyvaiheet. Paperierottimessa havaittiin kosteuden vapautumisesta johtuvaa alkukutistumista ja massahäviötä mittauksen alussa. Nämä analyysitekniikat tarjoavat näin ollen olennaisen tärkeää tietoa separaattorimateriaalien valintaa ja optimointia varten, mikä edistää litiumioniakkujen yleistä turvallisuutta ja luotettavuutta.