Stabilité thermique de l'électrolyte des batteries au lithium-ion

Les batteries au lithium-ion font désormais partie de notre quotidien, que nous en soyons conscients ou non. Elles alimentent nos téléphones cellulaires (téléphones mobiles), nos ordinateurs portables et des objets plus imposants tels que les véhicules électriques et les avions. Nous entendons souvent des histoires négatives sur les incidents qui surviennent avec ces batteries, comme le fait qu'elles prennent feu. L'électrolyte est l'un des composants d'une batterie au lithium-ion qui est généralement à l'origine de ces effets néfastes.

Expérimental

Dans l'étude suivante, plusieurs expériences ont été menées via TGA, DSC et l'analyse des gaz évolués pour étudier un électrolyte couramment utilisé (1,0 M _LiPF6 dans EC/DEC=50/50 (v/v) acquis auprès de Sigma-Aldrich) en le soumettant à l'exposition à l'atmosphère ambiante (_N2, _O2,_H2O,_CO2, etc.).les échantillons ont été préparés dans une boîte à gants purgée à l'argon en utilisant environ 8 à 10 mg de solution électrolytique pipettée dans des creusets en aluminium de 40 μl qui ont été scellés avec des couvercles de creusets en aluminium qui ont un trou de 50 μm découpé au laser pour permettre aux gaz de s'échapper. Les échantillons ont été chargés et mesurés avec le STA 449 de NETZSCH F1 Jupiter^® couplé à un QMS 403 Aëolos^®en utilisant une vitesse de chauffage de ^5oC/minet de l'argon comme gaz de purge. L'analyse thermogravimétrique (TGA) a été utilisée pour mesurer 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 les températures de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition, tandis que l'analyse des gaz évolués (EGA) par spectrométrie de masse (MS) a permis d'identifier les produits libérés.

Les courbes TGA-DSC-DTG de l'EC-DEC-LiPF6 non traité montrent le comportement thermique et la perte de masse à des températures critiques. — Figure 1 : Graphiques TGA-DSC-DTG de l'EC-DEC-LiPF6 non traité

Les courbes de courant d'ions MS montrent des données pour le carbonate de diéthyle (DEC) aux numéros de masse 45, 59, 63, 75 et 91, ce qui indique une analyse de la stabilité thermique. — Figure 2 : Courbes de courant d'ions MS 45, 59, 63, 75 et 91 correspondant au DEC

Analyse du spectre de masse du carbonate de diéthyle (DEC), mettant en évidence les pics ioniques clés pour une identification précise et une évaluation de la stabilité. — Figure 3 : Spectre de masse du DEC

Résultats et discussion

La figure 1 montre les courbes TGA (vert), DTG (brun) et DSC (bleu) d'un échantillon d'électrolyte non traité composé de carbonate d'éthylène (EC), de carbonate de diéthyle (DEC) et d'hexafluorophosphate de lithium (_LiPF6).la perte de masse initiale peut être attribuée à l'évaporation du carbonate de diéthyle, car les nombres de masse associés à ce composé (45, 59, 63, 75 et 91) atteignent un pic autour de ^150oC, comme le montre la figure 2, et le spectre de masse du carbonate de diéthyle de la bibliothèque NIST est présenté à la figure 3.

Lorsque cet électrolyte est exposé à l'atmosphère ambiante, sa stabilité et sa composition commencent à changer. La transformation peut être observée dans les figures 4 et 5 où les signaux DSC et TGA de l'électrolyte non traité sont tracés avec les signaux des échantillons d'électrolyte qui ont été exposés à l'atmosphère ambiante pendant différentes durées. L'analyse des gaz évolués (figure 6) confirme des changements radicaux par rapport à l'échantillon non traité, l'indicateur le plus important étant que les nombres de masse relatifs au DEC (45, 59, 63, 75 et 91) n'étaient plus présents dans l'échantillon exposé.

Des balles comprimées de cartons de boissons à côté de graphiques d'analyse thermique, mettant en évidence les mélanges de polymères dans les essais de recyclage. — Figure 4 : Comparaison des courbes TGA de l'EC-DEC-LiPF6 avec différents temps d'exposition

Comparaison de la courbe DSC de l'électrolyte EC-DEC-LiPF6 sous différents temps d'exposition, mettant en évidence la stabilité thermique. — Figure 5 : Comparaison des courbes DSC de l'EC-DEC-LiPF6 avec différents temps d'exposition

Comparaison des signaux TGA et MS pour des échantillons d'électrolyte de batterie lithium-ion non traités et exposés, mettant en évidence les changements de stabilité. — Figure 6 : Comparaison des signaux TGA et MS d'un échantillon d'électrolyte non traité et d'un échantillon d'électrolyte exposé

Conclusion

Les électrolytes des batteries au lithium-ion sont des matériaux connus qui sont sensibles à l'exposition aux gaz atmosphériques ambiants. Comme indiqué, les analyseurs thermiques et de gaz évolués peuvent être utilisés pour étudier cette propriété du matériau qui pourrait finalement compromettre la fonctionnalité et la sécurité du produit. La note d'application complète est disponible ici!