Bevezetés
Az akkumulátor-szeparátorok az elektrokémiai energiatároló rendszerek kulcsfontosságú elemei, amelyek biztosítják a Ionic vezetőképességet, miközben megakadályozzák az elektródák közötti elektromos érintkezést. Szerkezetük és stabilitásuk közvetlenül befolyásolja az akkumulátorok teljesítményét, tartósságát és biztonságát.
A különböző szeparátor-konstrukciók közül a kerámia-polimer kompozit szeparátorok és a papír alapú szeparátorok egyre nagyobb figyelmet kapnak a fejlett alkalmazásokban. A kerámia-polimer kompozitokban szervetlen részecskéket, például alumínium-oxidot, szilícium-dioxidot vagy cirkónium-dioxidot ágyaznak be egy polimer mátrixba. Ez a hibrid szerkezet növeli a mechanikai szilárdságot, az elektrolit nedvesíthetőségét és - ami a legfontosabb - a hőstabilitást. A kerámiafázis hőálló gerincként működik, amely megőrizte a méretintegritást magas hőmérsékleten, csökkentve a zsugorodás vagy a pórusok összeomlásának kockázatát, amely egyébként belső rövidzárlatokat okozhatna. Az elektronpálya is visszafordíthatatlanul megszakad ezeken a hőmérsékleteken, amelyek jóval megelőzik azt a pontot, ahol a Termikus elszabadulásA termikus elszabadulás az a helyzet, amikor egy kémiai reaktor a kémiai reakció által okozott hőmérséklet- és/vagy nyomásnövekedés miatt irányíthatatlanná válik. A termikus elszabadulás szimulációját általában a gyorsított sebességű kalorimetria (ARC) szerinti kalorimetriás készülékkel végzik.termikus elszabadulás bekövetkezhet.
A papír alapú szeparátorok, amelyek jellemzően cellulózból vagy szintetikus szálakból készülnek, az anyagok másik ígéretes osztályát alkotják. Szálas hálózatuk kiváló elektrolitfelvételt és egyenletes ionszállítási utakat biztosít. Ezenkívül ezek a szeparátorok könnyűek, fenntarthatóak, és porozitásuk és vastagságuk testre szabható. Termikus és kémiai ellenálló képességük azonban nagymértékben függ a szálak összetételétől és a magas hőmérsékletű környezetek elviselésére tervezett esetleges felületi módosításoktól vagy bevonatoktól.
Mindkét szeparátortípus hőstabilitása kritikus fontosságú az akkumulátorok biztonságos működése szempontjából. Túlmelegedés vagy visszaélésszerű körülmények között a szeparátoroknak meg kell tartaniuk alakjukat és mechanikai integritásukat, hogy megakadályozzák az elektróda érintkezését. A méretváltozások és a magas hőmérsékleten történő lágyulási viselkedés megértése ezért alapvető fontosságú a biztonsági tartalékok felméréséhez.
A termomechanikai elemzés (TMA) értékes eszköz erre a célra. Az elválasztó minták hő tágulásának, zsugorodásának vagy deformációjának a hőmérséklet függvényében történő mérésével a TMA betekintést nyújt a minták hőreakciójába és szerkezeti átmeneteibe. Az ilyen mérések segítenek a különböző szeparátor-készítmények összehasonlításában, az anyagfejlesztések irányításában és a megbízható teljesítmény biztosításában igényes termikus körülmények között.
A termogravimetria (TGA) fontos információkat szolgáltat az akkumulátor-szeparátorok HőstabilitásEgy anyag hőstabil, ha a hőmérséklet hatására nem bomlik el. Egy anyag hőstabilitásának meghatározására a TGA (termogravimetriás analizátor) egyik módja. termikus stabilitásáról és bomlási viselkedéséről. Ezeknek a folyamatoknak a megértése segít a Identify olyan szeparátorformulációkban, amelyek ellenállnak a lebomlásnak és megőrzik szerkezeti integritásukat magas hőmérsékleten. A TGA-adatok ezért támogatják a biztonságosabb szeparátor-tervezést, és segítenek a megbízható akkumulátorteljesítményt biztosító működési határértékek meghatározásában.
Mérési feltételek
A TGA mérési feltételeket az 1. táblázat, a TMA mérési feltételeket pedig a 2. táblázat foglalja össze.
1. táblázat: TGA mérési feltételek
| Műszer | STA Jupiter® sorozat |
|---|---|
| Kemence | SiC |
| Mintahordozó | TGA tű, S típus |
| Tégely | 300 μl, Al2O3 tégely, nyitott |
| A minta tömege | 20.26 mg (papírszeparátor) 14.60 mg (kompozit szeparátor) |
| Gázáramlás | 100 ml/perc |
| Gáz atmoszféra | Inert/5% oxigén |
| Hőmérsékleti program | RT - 600°C, 10 K/min |
Táblázat: TMA mérési feltételek
| Műszer | TMA Hyperion® sorozat |
|---|---|
| Kemence | Acél |
| Mintatartó | SiO2, feszültség |
| Minta hossza | ~ 10 mm |
| Erő | 1 mN |
| Gázáramlás | 50 ml/perc |
| Gáz atmoszféra | Nitrogén |
| Hőmérséklet program | RT - 400°C, 5 K/min |
Mérési eredmények és megbeszélés
A különböző elválasztótípusok HőstabilitásEgy anyag hőstabil, ha a hőmérséklet hatására nem bomlik el. Egy anyag hőstabilitásának meghatározására a TGA (termogravimetriás analizátor) egyik módja. hőstabilitását TGA-kísérletekkel vizsgáltuk különböző körülmények között. Az 1. ábra egy polimerrel bevont kerámiából készült kompozit szeparátor és egy papírszeparátor TGA-görbéinek összehasonlítását mutatja be inert körülmények között. A papírszeparátor 2,1%-os tömegveszteséget mutat a 150°C-ig terjedő hőmérséklettartományban, ami a nedvességtartalommal hozható összefüggésbe. Mindkét szeparátor 220°C felett bomlásnak indul. A papírszeparátor esetében a kezdeti tömeg 78%-a veszett el PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízis következtében. Csak Pirolitikus szénA pirolitikus szén olyan szén, amely szerves anyagok oxigénmentes légkörben történő pirolízise során keletkezik. pirolitikus szén maradt. A kompozit szeparátor esetében csak a polimer tartalom pirolizálódott (tömegveszteség kb. 18%), míg a kerámia rész és a keletkezett Pirolitikus szénA pirolitikus szén olyan szén, amely szerves anyagok oxigénmentes légkörben történő pirolízise során keletkezik. pirolitikus szén megmaradt.
Minimális oxigéntartalom jelenlétében (pl. a katódanyag Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásával felszabaduló) TGA-trend jelentősen eltér az inert atmoszféra alatti viselkedéstől. 5% oxigén mellett a maradék szén égése átfedésben van a szerves tartalom pirolitikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásával; lásd a 2. ábrát.
A 3. ábra ugyanezeket a TGA-adatokat mutatja a két elválasztó oxigéntartalmú atmoszférában, valamint a tömegspektrométer által rögzítettH2O(m/z 18) ésCO2 (m/z 44) nyomokat. A keletkezett gázok elemzése bizonyítja a víz felszabadulását az első tömegvesztési lépés során a papírszeparátor esetében, valamint a víz és a szén-dioxid egyidejű felszabadulását a fő tömegvesztési lépés során.
A különböző elválasztótípusok mechanikai stabilitását TMA-kísérletekkel vizsgálták. A 4. ábra a papír szeparátor (piros) és a kompozit szeparátor (kék) hő tágulásának összehasonlítását mutatja. A méréseket inert atmoszférában végeztük. A kompozit szeparátor mechanikailag stabil maradt a mérés teljes időtartama alatt. Csak a mérés végén, 400 °C-on észleltünk enyhe zsugorodást. Ezzel szemben a papír szeparátor esetében már a mérés kezdetén hosszcsökkenés figyelhető meg.
Ez az anyag száradásának köszönhető. Magasabb hőmérsékleten a két szeparátor szerves részeinek pirolízise kezdődik, ami a papírszeparátor mechanikai stabilitásának elvesztéséhez vezet 333°C-on (extrapolált kezdeti hőmérséklet). A PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízis miatti tömegveszteség és a mechanikai stabilitás elvesztése hasonló hőmérséklet-tartományban következik be, amint az az 5. ábrán látható, amely a papírszeparátor TGA- és TMA-görbéinek összehasonlítását mutatja.
Összefoglaló
A TGA-MS és TMA mérések megbízható eszközt nyújtanak a szeparátorok viselkedésének előrejelzésére a lítium-ion akkumulátorokban bekövetkező termikus események során, például a helytelen használat (pl. gyors töltés/kisütés; rövidzárlat) vagy műszaki hiba miatt. Ebben a vizsgálatban a kerámiabevonatú polimer szeparátor lényegesen nagyobb termikus és szerkezeti stabilitást mutatott, mint a papírszeparátor, amely 400 °C-ig megőrizte integritását, míg a papírszeparátor már alacsonyabb hőmérsékleten elvesztette mechanikai stabilitását.
Ezenkívül a TGA-MS és TMA elemzések értékesnek bizonyulnak az érintetlen anyagok jellemzéséhez, hogy a Identify oldalon minden szükséges előkezelési lépést elvégezhessünk. A papírszeparátor esetében a mérés kezdetén a nedvesség felszabadulása miatti kezdeti zsugorodás és tömegveszteség volt megfigyelhető. Ezek az analitikai technikák tehát alapvető betekintést nyújtanak a szeparátoranyagok kiválasztásához és optimalizálásához, hozzájárulva a lítium-ion akkumulátorok általános biztonságához és megbízhatóságához.