Introduzione
I separatori svolgono un ruolo cruciale nelle batterie agli ioni di litio, in quanto separano fisicamente l'anodo e il catodo e consentono il passaggio degli ioni di litio tra gli elettrodi. I separatori sono realizzati con materiali e tecnologie diverse per soddisfare i diversi requisiti di sicurezza, prestazioni e costi. Un gruppo di separatori comunemente utilizzato nelle batterie agli ioni di litio è quello dei separatori in poliolefina, in quanto chimicamente resistenti agli elettroliti, facili da produrre e relativamente economici.
Nel caso di studi competitivi, la caratterizzazione e l'identificazione dei separatori può essere essenziale per garantire la qualità e migliorare le prestazioni di una batteria.
Due diversi fogli di separazione sono stati analizzati con la tecnica TGA-FT-IR per determinare il comportamento di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione e identificare la composizione.
Misurazione e discussione
Le condizioni di misura sono riportate nella tabella 1.
Tabella 1: Condizioni di misura
| Strumento | NETZSCH TG Libra® accoppiato al Bruker FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Programma di temperatura | Da RT a 850°C |
| Velocità di riscaldamento | 10 K/min |
| Gas di lavaggio | Azoto, 40 ml/min |
| Crogioli | Al2O3, 85 μl, aperto |
La Figura 1 mostra un confronto delle curve TGA (campione A: verde; campione B: rosso) di due fogli di separazione. Entrambi i campioni sono stati riscaldati a 850°C in atmosfera inerte, con conseguente PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi completa. Di conseguenza, non è stato possibile identificare il contenuto di carbonio o ceneri pirolitiche. Tuttavia, è stato osservato un leggero scostamento nella temperatura di inizio della Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione (437°C per il campione A contro 447°C per il campione B). È quindi probabile che per questi fogli di separazione siano stati utilizzati due materiali diversi. Con l'aiuto della funzione c-DTA®®, è stato possibile determinare anche i punti di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione di questi due campioni. Anche in questo caso è stata rilevata una differenza significativa di 116°C rispetto a 168°C.
La Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione della lamina del separatore è un'importante caratteristica di sicurezza per le batterie. Nelle batterie moderne, molti separatori hanno la cosiddetta "funzione di spegnimento". Ciò significa che, in caso di surriscaldamento, il separatore fonde o chiude i pori, interrompendo il flusso di corrente e proteggendo così la batteria prima che si verifichi una pericolosa Fuga termicaUna fuga termica è la situazione in cui un reattore chimico è fuori controllo rispetto alla produzione di temperatura e/o pressione causata dalla reazione chimica stessa. La simulazione di una fuga termica viene solitamente effettuata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo la calorimetria accelerata (ARC).fuga termica.
Le curve di Gram Schmidt mostrano le intensità IR totali. Esse sono in buona correlazione con le curve TGA e DTG.
L'identificazione del materiale del separatore viene eseguita in modo esemplare per il campione A. La funzione Identify di Proteus® contiene diverse migliaia di serie di dati misurati per diversi metodi di analisi termica e diverse classi di materiali che possono essere confrontati con i dati attuali. In questo caso, la curva TGA e il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione determinato da c-DTA® del campione A sono confrontati con i dati della libreria di polimeri. Essi mostrano un'elevata somiglianza con il polipropilene (curve rosa); vedi figura 2.
Come ulteriore prova, gli spettri in fase gassosa rilevati dalla FT-IR a 462°C sono stati confrontati con quelli del database TGAFT-IR dei polimeri, che contiene gli spettri di PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi di tutti i polimeri tipici. Anche in questo caso è stata riscontrata un'elevata somiglianza con il polipropilene; si veda la figura 3.
Prima di una misurazione TGA-FT-IR, può essere utile anche uno spettro ATR-IR per l'identificazione. Il foglio separatore è stato messo sul cristallo di diamante ATR e si è ottenuto uno spettro IR del materiale solido; si veda la figura 4. Il confronto con la libreria ha dato un'elevata somiglianza con il polipropilene, come mostrato in figura 5. Il confronto dello spettro con la libreria ha prodotto un'elevata somiglianza con il polipropilene, come mostrato in figura 5.
Sintesi
La combinazione di una termobilancia (TGA) e di un sistema FT-IR fornisce una serie complementare di dati di misura - come il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione, il comportamento di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione, il Contenuto di cenereLa cenere è una misura del contenuto di ossidi minerali su base ponderale. L'analisi termogravimetrica (TGA) in atmosfera ossidativa è un metodo ben collaudato per determinare il residuo inorganico, comunemente chiamato cenere, nei materiali organici come polimeri, gomme, ecc. Pertanto, la misurazione TGA identifica se un materiale è riempito e calcola il contenuto totale di riempitivo. contenuto di ceneri, il contenuto di carica e l'identificazione dei gas rilasciati - da una sola misurazione del campione. In questo esempio, è stato possibile identificare la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica e il materiale delle lamine separatrici utilizzando la libreria Identify, il database TGA-FT-IR dei polimeri e lo spettro ATR del composto solido con una sola configurazione strumentale.