Litiumioniakun elektrolyytin terminen stabiilisuus

Litiumioniakut ovat nykyään jokapäiväisessä käytössä, olimmepa niistä tietoisia tai emme. Niitä löytyy kännyköistä (matkapuhelimista), kannettavista tietokoneista ja suuremmista laitteista, kuten sähköajoneuvoista ja lentokoneista. Kuulemme usein negatiivisia tarinoita niiden kanssa sattuneista onnettomuuksista, kuten akkujen syttymisestä tuleen. Yksi litiumioniakkujen komponenteista, joka tyypillisesti on vastuussa näistä haitallisista vaikutuksista, on elektrolyytti.

Kokeellinen

Seuraavassa tutkimuksessa tehtiin useita kokeita TGA-, DSC- ja kehittyneen kaasun analyysin avulla yleisesti käytetyn elektrolyytin (1,0 M _LiPF6 in EC/DEC=50/50 (v/v), hankittu Sigma-Aldrichista) tutkimiseksi altistamalla se ympäristön ilmakehälle (_N2, _O2,_H2O,_CO2 jne.).näytteet valmistettiin argonilla huuhdellussa hansikaspussissa käyttäen noin 8-10 mg elektrolyyttiliuosta, joka pipetoitiin 40 μl:n alumiinisiin upokkaisiin, jotka suljettiin alumiinisilla upokkaiden kansilla, joissa oli laserilla leikattu 50 μm:n reikä kaasujen poistamiseksi. Näytteet ladattiin ja mitattiin NETZSCH STA 449 -mittarilla F1 Jupiter^® yhdistettynä QMS 403 -mittalaitteeseen Aëolos^®käyttäen ^5oC/minlämmitysnopeutta ja argonia puhdistuskaasuna. Elektrolyytin koostumuksen muutosten seuraamiseksi suoritettiin differentiaalipyyhkäisykalorimetria (DSC). Termogravimetrista analyysia (TGA) käytettiin lämpöstabiilisuuden ja hajoamislämpötilojen mittaamiseen, kun taas massaspektrometrian (MS) avulla suoritettu kehittyneiden kaasujen analyysi (EGA) tunnisti vapautuneet tuotteet.

Käsittelemättömän EC-DEC-LiPF6:n TGA-DSC-DTG-käyrät osoittavat lämpökäyttäytymisen ja massahäviön kriittisissä lämpötiloissa. — Kuva 1: Käsittelemättömän EC-DEC-LiPF6:n TGA-DSC-DTG-kuvaajat

MS-ionivirtakäyrät osoittavat dietyylikarbonaatin (DEC) tiedot massanumeroilla 45, 59, 63, 75 ja 91, mikä viittaa lämpöstabiilisuusanalyysiin. — Kuva 2: MS-ionivirtakäyrät 45, 59, 63, 75 ja 91, jotka vastaavat DEC

Dietyylikarbonaatin (DEC) massaspektrianalyysi, jossa korostetaan tärkeimmät ionipiikit tarkkaa tunnistusta ja stabiilisuuden arviointia varten. — Kuva 3: DEC:n massaspektri

Tulokset ja keskustelu

Kuvassa 1 esitetään käsittelemättömän elektrolyyttinäytteen, joka koostuu eteenikarbonaatista (EC), dietyylikarbonaatista (DEC) ja litiumheksafluorofosfaatista (_LiPF6), TGA- (vihreä), DTG- (ruskea) ja DSC-käyrät (sininen).alkuvaiheen massahäviön voidaan katsoa johtuvan dietyylikarbonaatin haihtumisesta, sillä tähän yhdisteeseen liittyvien massalukujen (45, 59, 63, 75 ja 91) havaitaan olevan korkeimmillaan noin ^150oC:n lämpötilassa, kuten kuvasta 2 nähdään, ja dietyylikarbonaatin NIST-kirjaston massaspektri on esitetty kuvassa 3.

Kun elektrolyytti altistetaan ympäristön ilmakehälle, sen stabiilisuus ja koostumus alkavat muuttua. Muutos näkyy kuvissa 4 ja 5, joissa käsittelemättömän elektrolyytin DSC- ja TGA-signaalit on piirretty niiden elektrolyytinäytteiden signaalien rinnalle, jotka altistettiin ympäristön ilmakehälle eri pituisia aikoja. Kehittyneiden kaasujen analyysi (kuva 6) vahvistaa radikaalit muutokset verrattuna käsittelemättömään näytteeseen, sillä suurin indikaattori oli se, että DEC:iin (45, 59, 63, 75 ja 91) liittyviä massalukuja (45, 59, 63, 75 ja 91) ei enää ollut altistetussa näytteessä.

Juomakartonkipaalien puristetut paalit lämpöanalyysin kuvaajien vieressä, mikä osoittaa polymeerisekoituksia kierrätystesteissä. — Kuva 4: EC-DEC-LiPF6:n TGA-käyrien vertailu eri altistusajoilla

EC-DEC-LiPF6-elektrolyytin DSC-käyrien vertailu eri altistusajoilla, mikä korostaa lämpöstabiilisuutta. — Kuva 5: EC-DEC-LiPF6:n DSC-käyrien vertailu eri altistusajoilla

Käsittelemättömien ja altistettujen litiumioniakkujen elektrolyyttinäytteiden TGA- ja MS-signaalien vertailu, jossa korostuvat vakauden muutokset. — Kuva 6: Käsittelemättömän ja altistetun elektrolyyttinäytteen TGA- ja MS-signaalien vertailu

Päätelmä

Litiumioniakkujen elektrolyytit ovat tunnettuja materiaaleja, jotka ovat herkkiä ilmakehän kaasuille altistumiselle. Kuten on esitetty, lämpö- ja kehittyneiden kaasujen analysaattoreita voidaan käyttää tämän materiaaliominaisuuden tutkimiseen, joka voi lopulta vaarantaa tuotteen toimivuuden ja turvallisuuden. Koko sovellusmuistio on saatavilla täällä!