Pendahuluan
Pemisah baterai adalah komponen utama dalam sistem penyimpanan energi elektrokimia, menyediakan konduktivitas Ionic sekaligus mencegah kontak listrik di antara elektroda. Struktur dan stabilitasnya secara langsung memengaruhi kinerja, daya tahan, dan keamanan baterai.
Di antara berbagai desain pemisah, pemisah komposit polimer-keramik dan pemisah berbasis kertas telah mendapatkan perhatian yang semakin meningkat untuk aplikasi tingkat lanjut. Dalam komposit polimer-keramik, partikel anorganik seperti alumina, silika, atau zirkonia tertanam dalam matriks polimer. Struktur hibrida ini meningkatkan kekuatan mekanis, keterbasahan elektrolit, dan yang terpenting, Stabilitas TermalSuatu bahan dikatakan stabil secara termal jika tidak terurai di bawah pengaruh suhu. Salah satu cara untuk menentukan stabilitas termal suatu zat adalah dengan menggunakan TGA (penganalisis termogravimetri). stabilitas termal. Fase keramik bertindak sebagai tulang punggung tahan panas yang menjaga integritas dimensi di bawah suhu tinggi, mengurangi risiko penyusutan atau keruntuhan pori-pori yang dapat menyebabkan korsleting internal. Jalur elektron juga terputus secara permanen pada suhu ini, yang jauh di depan titik di mana Pelarian termalPelarian termal adalah situasi di mana reaktor kimia berada di luar kendali sehubungan dengan produksi suhu dan / atau tekanan yang disebabkan oleh reaksi kimia itu sendiri. Simulasi pelarian termal biasanya dilakukan dengan menggunakan perangkat kalorimeter sesuai dengan kalorimetri laju akselerasi (ARC).pelarian termal dapat terjadi.
Pemisah berbasis kertas, biasanya terbuat dari selulosa atau serat sintetis, merupakan kelas bahan lain yang menjanjikan. Jaringan berseratnya memberikan Proses PenyerapanPenyerapan adalah proses fisika dan kimia di mana suatu zat (biasanya gas atau cairan) terakumulasi di dalam fase lain atau pada batas fase dua fase. Tergantung pada tempat akumulasi, ada perbedaan antara absorpsi (akumulasi dalam fase) dan adsorpsi (akumulasi pada batas fase).penyerapan elektrolit yang sangat baik dan jalur transpor ion yang seragam. Selain itu, pemisah ini ringan, berkelanjutan, dan dapat disesuaikan porositas dan ketebalannya. Namun, ketahanan termal dan kimianya sangat bergantung pada komposisi serat dan kemungkinan modifikasi permukaan atau pelapis yang dirancang untuk tahan terhadap lingkungan bersuhu tinggi.
Stabilitas termal dari kedua jenis pemisah sangat penting untuk pengoperasian baterai yang aman. Dalam kondisi panas berlebih atau kondisi yang kasar, pemisah harus mempertahankan bentuk dan integritas mekanisnya untuk mencegah kontak elektroda. Oleh karena itu, memahami perubahan dimensi dan perilaku pelunakan pada suhu tinggi sangat penting untuk menilai margin keselamatan.
Analisis termomekanis (TMA) adalah alat yang berharga untuk tujuan ini. Dengan mengukur ekspansi termal, penyusutan, atau deformasi sampel pemisah sebagai fungsi suhu, TMA memberikan wawasan tentang respons termal dan transisi struktural. Pengukuran tersebut membantu membandingkan formulasi pemisah yang berbeda, memandu perbaikan material, dan memastikan kinerja yang andal dalam kondisi termal yang menuntut.
Thermogravimetri (TGA) memberikan informasi penting tentang Stabilitas TermalSuatu bahan dikatakan stabil secara termal jika tidak terurai di bawah pengaruh suhu. Salah satu cara untuk menentukan stabilitas termal suatu zat adalah dengan menggunakan TGA (penganalisis termogravimetri). stabilitas termal dan perilaku Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian pemisah baterai. Memahami proses ini membantu Identify formulasi pemisah yang tahan terhadap degradasi dan mempertahankan integritas strukturalnya pada suhu tinggi. Oleh karena itu, data TGA mendukung desain pemisah yang lebih aman dan membantu menetapkan batas operasi untuk kinerja baterai yang andal.
Kondisi Pengukuran
Kondisi pengukuran TGA dirinci dalam tabel 1 dan kondisi pengukuran TMA dirangkum dalam tabel 2.
Tabel 1: Kondisi pengukuran TGA
| Instrumen | Seri STA Jupiter® |
|---|---|
| Tungku | SiC |
| Pembawa sampel | Pin TGA, tipe S |
| Wadah | 300 μl, wadah Al2O3, terbuka |
| Massa sampel | 20.26 mg (pemisah kertas) 14.60 mg (pemisah komposit) |
| Aliran gas | 100 ml / menit |
| Atmosfer gas | Lembam / 5% oksigen |
| Program suhu | RT - 600°C, 10 K/menit |
Tabel 2: Kondisi pengukuran TMA
| Instrumen | Seri TMA Hyperion® |
|---|---|
| Tungku | Baja |
| Tempat sampel | SiO2, tegangan |
| Panjang sampel | ~ 10 mm |
| Kekuatan | 1 mN |
| Aliran gas | 50 ml / menit |
| Atmosfer gas | Nitrogen |
| Program suhu | RT - 400°C, 5 K/menit |
Hasil Pengukuran dan Pembahasan
Stabilitas termal dari berbagai jenis pemisah diselidiki dengan eksperimen TGA dalam kondisi yang berbeda. Gambar 1 menggambarkan perbandingan kurva TGA dari pemisah komposit yang terbuat dari keramik berlapis polimer dan pemisah kertas dalam kondisi lembam. Pemisah kertas menunjukkan langkah kehilangan massa sebesar 2,1% pada kisaran suhu hingga 150°C, yang dapat dikaitkan dengan kadar air. Kedua pemisah mulai terurai di atas suhu 220°C. Untuk pemisah kertas, 78% massa awal hilang karena PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis. Hanya Karbon PirolitikKarbon pirolitik adalah karbon yang dihasilkan dari pirolisis bahan organik dalam atmosfer bebas oksigen. karbon pirolitik yang tersisa. Untuk pemisah komposit, hanya kandungan polimer yang terpirolisis (kehilangan massa sekitar 18%), sedangkan bagian keramik dan Karbon PirolitikKarbon pirolitik adalah karbon yang dihasilkan dari pirolisis bahan organik dalam atmosfer bebas oksigen. karbon pirolitik yang dihasilkan tetap ada.
Dengan adanya kandungan oksigen minimal (misalnya, dilepaskan oleh dekomposisi bahan katoda), tren TGA secara signifikan berbeda dari perilaku di bawah atmosfer lembam. Pada 5% oksigen, pembakaran sisa karbon tumpang tindih dengan dekomposisi pirolitik kandungan organik; lihat gambar 2.
Gambar 3 menunjukkan data TGA yang sama dari kedua pemisah dalam atmosfer yang mengandung oksigen bersama dengan jejakH2O(m/z 18) danCO2 (m/z 44) yang direkam oleh spektrometer massa. Analisis gas yang berkembang membuktikan pelepasan air selama langkah kehilangan massa pertama untuk pemisah kertas dan pelepasan air dan karbon dioksida secara simultan selama langkah kehilangan massa utama.
Stabilitas mekanis dari berbagai jenis pemisah diselidiki dengan eksperimen TMA. Gambar 4 menggambarkan perbandingan ekspansi termal pemisah kertas (merah) dan pemisah komposit (biru). Pengukuran dilakukan dalam atmosfer lembam. Pemisah komposit tetap stabil secara mekanis selama pengukuran. Hanya sedikit penyusutan yang terdeteksi pada akhir pengukuran, pada suhu 400°C. Sebaliknya, dengan pemisah kertas, penurunan panjang teramati tepat pada awal pengukuran.
Hal ini disebabkan oleh pengeringan bahan. Pada suhu yang lebih tinggi, PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis bagian organik dari kedua pemisah dimulai, yang menyebabkan hilangnya stabilitas mekanis untuk pemisah kertas pada suhu 333°C (onset yang diekstrapolasi). Kehilangan massa akibat PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis dan hilangnya stabilitas mekanis terjadi pada kisaran suhu yang sama, seperti yang dapat dilihat pada gambar 5, yang menunjukkan perbandingan kurva TGA dan TMA pemisah kertas.
Ringkasan
Pengukuran TGA-MS dan TMA memberikan cara yang dapat diandalkan untuk memprediksi perilaku pemisah selama peristiwa termal pada baterai lithium-ion, seperti yang disebabkan oleh penyalahgunaan (misalnya, pengisian/pengosongan yang cepat; korsleting) atau kegagalan teknis. Dalam penelitian ini, pemisah polimer berlapis keramik menunjukkan Stabilitas TermalSuatu bahan dikatakan stabil secara termal jika tidak terurai di bawah pengaruh suhu. Salah satu cara untuk menentukan stabilitas termal suatu zat adalah dengan menggunakan TGA (penganalisis termogravimetri). stabilitas termal dan struktural yang jauh lebih besar daripada pemisah kertas, mempertahankan integritasnya hingga 400 ° C, sedangkan pemisah kertas kehilangan stabilitas mekanisnya pada suhu yang lebih rendah.
Selain itu, analisis TGA-MS dan TMA sangat berguna untuk mengkarakterisasi bahan murni untuk Identify langkah pra-perlakuan yang diperlukan. Untuk pemisah kertas, penyusutan awal dan kehilangan massa akibat pelepasan uap air diamati pada awal pengukuran. Dengan demikian, teknik analisis ini memberikan wawasan penting untuk pemilihan dan optimalisasi bahan pemisah, yang berkontribusi terhadap keamanan dan keandalan baterai lithium-ion secara keseluruhan.