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コインセルモジュールの校正について MMC 274 Nexus®®

はじめに

NETZSCH マルチモジュール熱量計(マルチモジュール熱量計(MMC)ベースユニットと交換可能なモジュールからなるマルチモード熱量計。1つのモジュールは暴走反応熱量測定用(ARC )で、ARC-モジュールです。2つ目のモジュールは走査試験に使用され(走査モジュール)、3つ目と4つ目のモジュールは電池やポリマー、コインセル(コインセルモジュール)の薬学的試験に関連しています。MMC)274Nexus (図1)には3つの異なる測定モジュールがあります。ARC®Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search は、暴走反応熱量測定(ARC)に基づく熱量計装置で使用される測定モードである。HWS)モジュール は、いわゆるHeat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search は、暴走反応熱量測定(ARC)に基づく熱量計装置で使用される測定モードである。heat-wait-searchHeat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search は、暴走反応熱量測定(ARC)に基づく熱量計装置で使用される測定モードである。HWS)試験や熱暴走試験に使用できます[1][2]。走査モジュールは、吸熱(吸熱性)または発熱(発熱性)相転移の評価や熱危険性スクリーニングなどの用途に適しています[3][4]。コインセルモジュールは、電池の調査に特化しています[5]。外部バッテリーサイクリングユニットは、LEMOコネクターを介してコインセルモジュールに簡単に接続できます。電圧と電流の信号は、Proteus® 評価ソフトウェアに転送することができます。その結果、電力信号が自動的に決定され、充電と放電が独立して定量化されます。充放電時の熱損失を検出することで、バッテリーのサイクル効率を評価することができます。この目的のために、ツインサンプルキャリアはDSCのような差動セットアップを提供します(図2a、b、c)。

NETZSCH MMC 274Nexus 精密分析・測定用に設計された2つの試料アクセサリーを備えた材料試験機。
1)NETZSCH マルチモジュール熱量計(MMC)ベースユニットと交換可能なモジュールからなるマルチモード熱量計。1つのモジュールは暴走反応熱量測定用(ARC )で、ARC-モジュールです。2つ目のモジュールは走査試験に使用され(走査モジュール)、3つ目と4つ目のモジュールは電池やポリマー、コインセル(コインセルモジュール)の薬学的試験に関連しています。MMC 274Nexus
コインセルモジュールの概略図。試料ホルダー、4線式技術、熱分析用の差動セットアップ図を含む。
2) コインセルモジュールの概略図;試料ホルダーの写真(左)、4線法(中)、差動セットアップの図(右)

電池の非破壊等温充放電試験のほとんどは、常温に近い温度範囲(small )で行われるため、熱量計をそれに合わせて校正することが不可欠です。温度と感度の校正には、通常、金属が標準物質として使用されます。

温度と感度の校正

空のコイン(図3)は、試料や標準物質を調製するために、DSC容器と同様の方法で使用できます。マルチモジュール熱量計(MMC)ベースユニットと交換可能なモジュールからなるマルチモード熱量計。1つのモジュールは暴走反応熱量測定用(ARC )で、ARC-モジュールです。2つ目のモジュールは走査試験に使用され(走査モジュール)、3つ目と4つ目のモジュールは電池やポリマー、コインセル(コインセルモジュール)の薬学的試験に関連しています。MMCコインセルモジュールは、適度な加熱速度での走査を可能にし、ダイナミックシフトを最小限に抑え、バッテリーのサイクル測定などの等温測定との比較可能性を向上させます。一般的な校正材料と対応する試料質量を表1にまとめました。このようにしてマルチモジュール熱量計(MMC)ベースユニットと交換可能なモジュールからなるマルチモード熱量計。1つのモジュールは暴走反応熱量測定用(ARC )で、ARC-モジュールです。2つ目のモジュールは走査試験に使用され(走査モジュール)、3つ目と4つ目のモジュールは電池やポリマー、コインセル(コインセルモジュール)の薬学的試験に関連しています。MMCコインセルモジュール用に確立された校正キットを図4に示します。

ガリウムは、温度とエンタルピーの校正用材料として認証され、確立され ており、いくつかの機関で推奨されている[6]。とはいえ、DSCで最も頻繁に使用される容器材料であるアルミニウムと反応するため、使用されることはほとんどありません。しかし、その融解温度は常温をわずかに上回る程度である。コインはスチール製であり、適用される加熱速度は比較的低いため、上記の欠点はマルチモジュール熱量計(MMC)ベースユニットと交換可能なモジュールからなるマルチモード熱量計。1つのモジュールは暴走反応熱量測定用(ARC )で、ARC-モジュールです。2つ目のモジュールは走査試験に使用され(走査モジュール)、3つ目と4つ目のモジュールは電池やポリマー、コインセル(コインセルモジュール)の薬学的試験に関連しています。MMCコインセルモジュールに関しては関係ない。

空の2032コイン電池とリチウム電池を並べ、試験工程用の校正材料を展示。
3) 空の2032硬貨(基準)と校正物質が充填された硬貨


表1:MMCコインセルモジュールの校正キットの材料と質量

校正材料試料質量 [mg]溶融温度 [°C]融解エンタルピー [J/g]
ガリウム

473.9

29.76

80.2

インジウム

334.0

156.6

28.6

324.0

231.9

60.5

ビスマス

306.0

271.3

53.8

MMCコインセルモジュール用校正キット、木箱入り、6個の精密分銅とハザードラベル付き。
4) MMCコインセルモジュール用校正キット

前述の標準物質の融解挙動の結果を図5に示す。温度と感度の校正多項式の計算結果を図6に示す。温度と感度の校正多項式をダブルチェックするために、ナフタレン(C10H8)を用いた。

ガリウム、インジウム、スズ、ビスマスのDSC測定結果は、さまざまな温度での融解挙動を示している。
5) ガリウム、インジウム、スズ、ビスマスの融解挙動の測定結果
温度とヒートフローの校正多項式。正確な測定分析のためのグラフとデータテーブルを備えています。
6) 温度(左)と感度(右)の校正多項式
ナフタレン(C10H8)の性能に関する多項式関係を示す温度と感度の検量線グラフ。
7) 温度(左)とエンタルピー(右)の校正多項式とナフタレン(C10H8)(赤)の追加結果。

ナフタレンについて得られた結果は、金属試料を用いて求めた検量線多項式とよく一致しており、検量線の妥当性が確認された(図7)。

結論

これらの結果は、温度とエンタルピーの校正に関するMMCコインセルモジュールの能力を見事に実証しています。電池の用途では周囲温度付近での適切な校正が不可欠であるため、校正材料としてガリウムを使用することは非常に重要です。電池の等温サイクルは、通常、周囲温度に近いか、少し高い温度で行われます。例えば融点が156.6℃のインジウムのような一般的な校正材料は、要求される応用範囲から遠すぎます。

Literature

  1. [1]
    Application Note 131, E. Füglein, "Hazard Potentialof Decomposoition Reactions Using Example of Hydrogen Peroxide (H2O2)".
  2. [2]
    アプリケーションノート134、E. Füglein、"Varify® - 熱暴走試験におけるφファクター変動用特許取得済み浸漬ヒーター"
  3. [3]
    Application Note 130, E. Füglein, S. Schmölzer, "Epoxy Curing Investigated by Means ofDSC 214 Polyma and MMC 274 Nexus®®"
  4. [4]
    Application Note 132, E. Füglein, "Screening of Hydrogen Peroxide Solutions by Means of Scanning Tests andARC Tests" 過酸化水素溶液の走査試験と 試験による過酸化水素溶液のスクリーニング。
  5. [5]
    アプリケーションノート040、J.-F.Mauger, P. Ralbovsky, G. Widawski, P. Ye, "Coin Cell Cycling in a Novel DSC-Like System".
  6. [6]
    Sarge M.S., Gmelin E., Höhne G.W.H., Cammenga H.-K., Hemminger W., Eysel W. "The caloric calibration of scanning calorimeters" Thermochimica Acta 247 (1994) 129-168
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