Introduction
Les séparateurs jouent un rôle crucial dans les batteries lithium-ion car ils séparent physiquement l'anode et la cathode tout en permettant le passage des ions lithium entre les électrodes. Différents matériaux et technologies sont utilisés pour les séparateurs afin de répondre aux différentes exigences en matière de sécurité, de performance et de coût. Un groupe de séparateurs couramment utilisé dans les batteries lithium-ion est celui des séparateurs en polyoléfine, car ils sont chimiquement résistants aux électrolytes, faciles à produire et relativement rentables.
Dans le cas d'études concurrentielles, la caractérisation et l'identification des séparateurs peuvent être essentielles pour garantir la qualité et améliorer les performances d'une batterie.
Deux feuilles séparatrices différentes ont été étudiées par la technique TGA-FT-IR afin de déterminer le comportement de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition et d'identifier la composition.
Mesure et discussion
Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Instrument | NETZSCH TG Libra® couplé au Bruker FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Programme de température | RT à 850°C |
| Vitesse de chauffage | 10 K/min |
| Gaz de purge | Azote, 40 ml/min |
| Creusets | Al2O3, 85 μl, ouvert |
La figure 1 montre une comparaison des courbes TGA (échantillon A : vert ; échantillon B : rouge) de deux feuilles séparatrices. Les deux échantillons ont été chauffés à 850°C sous atmosphère inerte, ce qui a entraîné une PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse complète. Par conséquent, aucune teneur en Carbone pyrolytiqueLe carbone pyrolytique est le carbone généré par la pyrolyse de matières organiques dans une atmosphère dépourvue d'oxygène. carbone pyrolytique ou en cendres n'a pu être identifiée. Cependant, une légère différence dans la température de début de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition (437°C pour l'échantillon A contre 447°C pour l'échantillon B) a été observée. Il est donc probable que deux matériaux différents aient été utilisés pour ces feuilles séparatrices. À l'aide de la fonction c-DTA®, les points de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de ces deux échantillons ont également pu être déterminés. Là encore, une différence significative de 116°C contre 168°C a été détectée.
La Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion d'une feuille de séparation est un élément de sécurité important pour les batteries. Dans les batteries modernes, de nombreux séparateurs sont dotés d'une "fonction d'arrêt". Cela signifie qu'en cas de surchauffe, le séparateur fond ou ferme ses pores, interrompant le flux de courant et protégeant ainsi la batterie avant qu'un dangereux Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC®).emballement thermique ne se produise.
Les courbes de Gram Schmidt montrent les intensités IR totales. Elles sont en bonne corrélation avec les courbes TGA et DTG.
L'identification du matériau séparateur est exécutée de manière exemplaire pour l'échantillon A. La fonction Identify de Proteus® contient plusieurs milliers d'ensembles de données mesurées pour différentes méthodes d'analyse thermique et différentes classes de matériaux, qui peuvent être comparées aux données actuelles. Ici, la courbe TGA et le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion déterminé par c-DTA de l'échantillon A sont comparés aux données de la bibliothèque de polymères. Ils montrent une grande similitude avec le polypropylène (courbes roses) ; voir figure 2.
Comme preuve supplémentaire, les spectres en phase gazeuse détectés par FT-IR à 462°C ont été comparés à ceux de la base de données TGAFT-IR des polymères, qui contient les spectres de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse de tous les polymères typiques. Une fois de plus, une grande similitude avec le polypropylène a été constatée (voir figure 3).
Avant une mesure TGA-FT-IR, un spectre ATR-IR peut également être utile pour l'identification. La feuille de séparation a été placée sur le cristal de diamant ATR et un spectre IR a été obtenu pour le matériau solide (voir figure 4). La comparaison du spectre avec la bibliothèque a également révélé une grande similitude avec le polypropylène, comme le montre la figure 5.
Résumé
La combinaison d'une thermobalance (TGA) et d'un système FT-IR fournit un ensemble complémentaire de données de mesure - telles que le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion, le comportement de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition, la Teneur en cendresLes cendres sont une mesure de la teneur en oxydes minéraux sur une base pondérale. L'analyse thermogravimétrique (ATG) en atmosphère oxydante est une méthode éprouvée pour déterminer le résidu inorganique, communément appelé cendre, dans les matériaux organiques tels que les polymères, les caoutchoucs, etc. Par conséquent, la mesure AGT Identify permet de déterminer si un matériau est chargé et de calculer la teneur totale en charge.teneur en cendres, la teneur en charge et l'identification des gaz libérés - à partir d'une seule mesure d'échantillon. Dans cet exemple, la Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique et le matériau des feuilles de séparation ont pu être identifiés à l'aide de la bibliothèque Identify, de la base de données TGA-FT-IR des polymères et du spectre ATR du composé solide avec une seule configuration d'instrument.