03.09.2025 by Aileen Sammler
Litiumioniakkujen turvallisuuden parantaminen: LiPF₆-elektrolyyttien terminen ja kineettinen analyysi NETZSCH DSC:llä & Kinetics Neo
Tutustu miten Differentiaalinen skannauskalorimetria (DSC) ja Kinetics Neo ohjelmisto by NETZSCH parantavat litiumioniakkujen turvallisuutta analysoimalla LiPF₆-pohjaisten elektrolyyttien termistä ja kineettistä stabiilisuutta sekä estämällä lämpökatkoksia ja optimoimalla suorituskykyä.
Litiumioniakut (LIB-akut) toimivat älypuhelimissa, sähköajoneuvoissa ja uusiutuvan energian varastointijärjestelmissä. Maailmanlaajuisen kysynnän kasvaessa nopeasti turvallisuudesta ja luotettavuudesta on tullut ensisijaisia tavoitteita. EU:n akkuasetuksen 2023 kaltaiset sääntelypuitteet ja kansainväliset standardit asettavat nykyään tiukkoja vaatimuksia akkujen lämpöturvallisuustestaukselle.
Jokaisen LIB-akun ytimessä on elektrolyytti, ja yksi yleisimmin käytetyistä suoloista karbonaattiliuottimissa on LiPF₆. Vaikka LiPF₆:lla on erinomainen Ionic johtavuus ja yhteensopivuus grafiittianodien kanssa, se on termisesti ja kemiallisesti epävakaa. Tämä epävakaus voi aiheuttaa termisen karkaamisen, joka on merkittävä turvallisuusongelma sähköisessä liikkuvuudessa ja kiinteissä varastoissa.
Näiden haasteiden ratkaisemiseksi tutkijat ja valmistajat luottavat kehittyneeseen materiaalin karakterisointiin. Tässä uudessa sovellusohjeessa käytettiin NETZSCH DSC:tä yhdistettynä Kinetics Neo -ohjelmistoon LiPF₆-pohjaisten elektrolyyttien termisen stabiilisuuden ja hajoamiskinetiikan analysointiin.
Tutkimuksen tärkeimmät tulokset
DSC:llä tunnistetut lämpötapahtumat
NETZSCH DSC:tä käytettiin LiPF₆:n analysoimiseen seoskarbonaattiliuotinjärjestelmässä (EMC+DMC+EC, 1:1:1). Seuraavat lämpövaikutukset havaittiin yli 190 °C:n lämpötilassa:
- EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.Endoterminen piikki (≈230°C) → LiPF₆:n HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen ja liuotinkohtaiset vuorovaikutukset
- EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.Eksoterminen piikki (≈250 °C) → LiPF₆:n vuorovaikutus EC:n kanssa, renkaan pilkkoutumisreaktiot
- Laaja EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen piikki (≈290°C) → polymerisaatioreaktiot, PEO:n kaltaiset tuotteet, CO₂:n vapautuminen
Kineettinen analyysi Kinetics Neo -ohjelmistolla
- Kineettinen arviointi vahvisti kolmivaiheisen reaktiomallin, jonka aktivoitumisenergiat olivat 146,3, 137,2 ja 118,6 kJ/mol.
- Mitattujen ja laskettujen tietojen välinen korrelaatio saavutti R² = 0,997, mikä osoittaa, että kokeellisten ja simuloitujen tietojen välillä on erinomainen vastaavuus
Ennusteet tosielämän skenaarioita varten
- IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.Isoterminen ennuste: Hajoaminen alkoi ≈1 päivän kuluttua 150 °C:ssa, ≈9 päivän kuluttua 130 °C:ssa ja ≈24 päivän kuluttua 120 °C:ssa.
- AdiabaattinenAdiabaattinen kuvaa järjestelmää tai mittaustilaa, jossa ei tapahdu lämmönvaihtoa ympäristön kanssa. Tämä tila voidaan toteuttaa käyttämällä kalorimetrilaitetta kiihdytyskalorimetriamenetelmän (ARC) mukaisesti. Tällaisen laitteen päätarkoitus on tutkia skenaarioita ja termisiä karkaamisreaktioita. Lyhyt kuvaus adiabaattisesta tilasta on "ei lämpöä sisään - ei lämpöä ulos".Adiabaattinen ennuste: Adiabaattisissa olosuhteissa LämpökatkosTerminen karkaaminen on tilanne, jossa kemiallinen reaktori ei ole hallinnassa kemiallisen reaktion aiheuttaman lämpötilan ja/tai paineen tuotannon suhteen. Termisen karkaamisen simulointi suoritetaan yleensä kalorimetrilaitteella kiihdytetyn nopeuskalorimetrian mukaisesti (ARC).terminen karkaaminen tapahtui ≈5 päivän kuluttua 150 °C:ssa.
Miksi sillä on merkitystä nykypäivän akkuteollisuudelle?
- Akkujen turvallisuus on kriittinen haaste sähköautoissa ja verkkovarastoissa.
- Lainsäädännön noudattaminen edellyttää elektrolyyttien perusteellista lämpöstabiilisuusanalyysia.
- Materiaalien kehittäjät voivat optimoida koostumuksia riskien minimoimiseksi ja akun käyttöiän pidentämiseksi.
Yhdistämällä differentiaalinen skannauskalorimetria(DSC) ja Kinetics Neo, NETZSCH tarjoaa tehokkaan työkalupakin elektrolyytin käyttäytymisen ennustamiseen todellisissa käyttö- ja väärinkäyttöolosuhteissa.
NETZSCH DSC:n edut akkututkimuksessa
NETZSCH DSC 300 Caliris® -analyysilaitteessa on poikkeuksellinen herkkyys ja joustavuus, joten se on ihanteellinen työkalu akkujen elektrolyyttien ja materiaalien analysointiin.
Litiumioniakkujen turvallisuuden kannalta DSC:n avulla tutkijat voivat määrittää tarkasti faasisiirtymät, hajoamislämpötilat ja lämpövirtaustapahtumat, jotka ovat kriittisiä termisen karkaamisen alkamisen tunnistamiseksi. Modulaarisen rakenteensa ja korkeapaineisten upokkaidensa ansiosta DSC Caliris® mahdollistaa luotettavat tulokset myös haihtuvien elektrolyyttijärjestelmien osalta.
Verkkosivujen Kinetics Neo hyödyt akkujen turvallisuusanalyysissä
Kinetics Neo -ohjelmisto laajentaa DSC-mittauksia mahdollistamalla ennakoivat simulaatiot todellisissa olosuhteissa. Akkujen kehittäjille tämä tarkoittaa, että kolmen DSC-lämmityskokeen tietoja voidaan käyttää mallintamaan isotermistä varastointistabiilisuutta, adiabaattisia olosuhteita ja erilaisia lämpötilaprofiileja.
Tämä mahdollistaa tarkat ennusteet elektrolyytin käyttäytymisestä käytön, kuljetuksen tai väärinkäytön aikana, mikä tukee turvallisempien ja pitkäikäisempien akkujärjestelmien suunnittelua.
Päätelmä
NETZSCH DSC- ja Kinetics Neo -ohjelmistojen yhdistelmä antaa olennaisen tärkeää tietoa LiPF₆-pohjaisten elektrolyyttien termisestä ja kineettisestä stabiilisuudesta. Nämä tulokset tukevat suoraan akkujen kehittäjiä, jotka pyrkivät ehkäisemään lämpökatkoksia, varmistamaan turvallisuusstandardien noudattamisen ja edistämään siirtymistä kohti turvallisia ja kestäviä sähköisen liikkuvuuden ja energian varastointijärjestelmiä.
? Lue koko sovellusmuistio täältä:
Lisätietoja NETZSCH DSC-laitteista ja Kinetics Neo ohjelmistosta
