03.09.2025 by Aileen Sammler
Améliorer la sécurité des batteries au lithium-ion : Analyse thermique et cinétique des électrolytes LiPF₆ avec le NETZSCH DSC & Kinetics Neo
Découvrez comment Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et le Kinetics Neo logiciel de NETZSCH améliorent la sécurité des batteries lithium-ion en analysant 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 cinétique des électrolytes à base de LiPF₆, en prévenant l'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 et en optimisant les performances.
Les batteries lithium-ion (LIB) alimentent nos smartphones, nos véhicules électriques et nos systèmes de stockage d'énergie renouvelable. La demande mondiale augmentant rapidement, la sécurité et la fiabilité sont devenues des priorités absolues. Les cadres réglementaires tels que le règlement européen 2023 sur les batteries et les normes internationales imposent désormais des exigences strictes en matière d'essais de sécurité thermique des batteries.
Au cœur de chaque LIB se trouve l'électrolyte, et l'un des sels les plus utilisés dans les solvants carbonatés est le LiPF₆. Bien que le LiPF₆ présente une excellente conductivité Ionic et une compatibilité avec les anodes en graphite, il est thermiquement et chimiquement instable. Cette instabilité peut provoquer un 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, un problème de sécurité majeur dans le domaine de la mobilité électrique et du stockage stationnaire.
Pour relever ces défis, les chercheurs et les fabricants s'appuient sur une caractérisation avancée des matériaux. Dans cette nouvelle note d'application, un DSC NETZSCH combiné au logiciel Kinetics Neo a été utilisé pour analyser 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 la cinétique de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition des électrolytes à base de LiPF₆.
Principaux résultats de l'étude
Événements thermiques identifiés par DSC
Un DSC NETZSCH a été utilisé pour analyser le LiPF₆ dans un système de solvants carbonates mélangés (EMC+DMC+EC, 1:1:1). Les effets thermiques suivants ont été détectés au-dessus de 190°C :
- Pic EndothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est endothermique si la conversion nécessite de la chaleur.endothermique (≈230°C) → Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition du LiPF₆ et interactions spécifiques au solvant
- Pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique (≈250°C) → interaction de LiPF₆ avec EC, réactions de clivage des anneaux
- Pic ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique large (≈290°C) → réactions de polymérisation, produits de type PEO, libération de CO₂
Analyse cinétique avec le logiciel Kinetics Neo
- L'évaluation cinétique a confirmé un modèle de réaction en trois étapes avec des énergies d'activation de 146,3, 137,2 et 118,6 kJ/mol.
- La corrélation entre les données mesurées et calculées a atteint R² = 0,997, ce qui indique un excellent accord entre les données expérimentales et simulées
Prédictions pour des scénarios réels
- Prédiction IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme : La Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition a commencé après ≈1 jour à 150°C, après ≈9 jours à 130°C, et après ≈24 jours à 120°C.
- Prédiction AdiabatiqueAdiabatique décrit un système ou un mode de mesure sans aucun échange de chaleur avec l'environnement. Ce mode peut être réalisé à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC®). L'objectif principal d'un tel dispositif est d'étudier des scénarios et des réactions d'emballement thermique. Une brève description du mode adiabatique est la suivante : "pas d'entrée de chaleur - pas de sortie de chaleur".adiabatique : Dans des conditions adiabatiques, l'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 s'est produit après ≈5 jours à 150°C.
Pourquoi c'est important pour l'industrie des batteries d'aujourd'hui
- La sécurité des batteries est un défi majeur pour les véhicules électriques et le stockage en réseau.
- La conformité réglementaire exige une analyse approfondie de 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 des électrolytes.
- Les développeurs de matériaux peuvent optimiser les formulations pour minimiser les risques et prolonger la durée de vie des batteries.
En combinant la calorimétrie différentielle à balayage(DSC) et l'analyse de 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 des électrolytes, fournit une boîte à outils puissante pour prédire la stabilité des électrolytes Kinetics NeoNETZSCH fournit une boîte à outils puissante pour prédire le comportement de l'électrolyte dans des conditions réelles de fonctionnement et d'abus.
Avantages de la DSC NETZSCH pour la recherche sur les batteries
L'instrument d'analyse NETZSCH DSC 300 Caliris® se caractérise par une sensibilité et une flexibilité exceptionnelles, ce qui en fait l'outil idéal pour analyser les électrolytes et les matériaux des batteries.
Dans le contexte de la sécurité des batteries lithium-ion, la DSC permet aux chercheurs de déterminer avec précision les Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux.transitions de phase, 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 et les flux de chaleur qui sont essentiels pour identifier le début de l'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. Grâce à sa conception modulaire et à ses creusets à haute pression, le DSC Caliris® permet d'obtenir des résultats fiables, même pour les systèmes d'électrolytes volatils.
Avantages de Kinetics Neo dans l'analyse de la sécurité des batteries
Le logicielKinetics Neo étend les mesures DSC en permettant des simulations prédictives dans des conditions réelles. Pour les développeurs de batteries, cela signifie que les données d'un ensemble de trois expériences de chauffage DSC peuvent être utilisées pour modéliser la stabilité du stockage IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme, les conditions adiabatiques et différents profils de température.
Cela permet de prédire avec précision le comportement de l'électrolyte pendant le fonctionnement, le transport ou les scénarios d'abus, ce qui favorise la conception de systèmes de batteries plus sûrs et plus durables.
Conclusion
La combinaison des logiciels NETZSCH DSC et Kinetics Neo fournit des informations essentielles sur 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 cinétique des électrolytes à base de LiPF₆. Ces résultats aident directement les développeurs de batteries à prévenir l'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, à assurer la conformité aux normes de sécurité et à favoriser la transition vers des systèmes d'e-mobilité et de stockage d'énergie sûrs et durables.
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