はじめに
バッテリー電解質は、エネルギー貯蔵において重要な役割を果たし、最新のバッテリー技術に不可欠な成分です。これらの物質は電極間のイオンの流れを可能にし、バッテリーの充放電に不可欠です。近年、電池電解質の研究は、電池の効率、安全性、寿命の改善に向けて大きく進展している。電気自動車や再生可能エネルギーの重要性が高まる中、電解質を理解し進歩させることは、持続可能なエネルギーの未来にとって中心的な課題です。
しかし、過熱や熱暴走などの危険性を考慮し、調査する必要があります。熱分析は、これらの材料の相転移や分解などの熱特性に関する洞察を提供します。
数多くの電池電解質を代表して、広く使用されている六フッ化ヒ酸リチウム（LiAsF6）について、同時熱分析を用いて熱量効果と質量変化を調べました。
測定条件
LiAsF6は吸湿性があるため、試料はアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で作製し、吸湿を防いだ。STA測定もアルゴンパージしたグローブボックス内で行った。詳細な測定パラメータは表1を参照されたい。
表1：STA449での測定に使用したパラメータJupiter®
| パラメータ | 試料LiAsF6 |
|---|---|
| 試料重量 | 12.1 mg |
| るつぼ | Concavus® Al、穴あき蓋 |
| センサー | TGA-DSCSpecific Heat Capacity (cp) - 比熱容量（Cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ったものである。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp, タイプS |
| 炉 | SiC |
| 温度プログラム | 常温～600 |
| 加熱速度 | 10K/分 |
| ガス雰囲気 | アルゴン |
| ガス流量 | 70ml/分 |
測定結果
TGA-DSCの結果を図1に示す。質量減少曲線は1.1%と81.7%の2段階を示す。最初の質量減少ステップは、おそらく水分の放出に起因すると考えられる。2つ目の質量減少ステップは、LiAsF6の分解によるものである。DSC曲線から、ピーク温度122.8℃と497.7℃、エンタルピー25.18J/gと337J/gの2つの吸熱効果が検出され、これらは質量減少ステップと相関している。さらに、265℃の温度で、LiAsF6の菱面体晶相から立方晶相への可逆的な固体-固体相転移が確認された1。
1Gavrichev, K.S., Sharpataya, G.A., Gorbunov, V.E. et al. Hexafluoroarsenate,LiAsF6 リチウムの熱力学的性質と分解。Inorganic Materials 39, 175-182 (2003). https://doi.org/10.1023/A:1022102914631
概要
電池電解質LiAsF6のエネルギー効果と分解の特性評価が、同時熱分析法を用いて成功しました。試料調製とSTA測定をグローブボックス内で行うことができるため、LiAsF6のように周囲の雰囲気と反応するような物質でも測定に成功しました。得られたデータから、LiAsF6は265℃付近で固相-固相変態を起こすまで安定していることがわかります。300℃を超える温度では、材料は不活性条件下で分解する。この情報は、過熱や熱暴走などの潜在的な危険に関する追加的な知識を提供します。
すべてのNETZSCH 機器はグローブボックス内で操作できるため、環境条件に敏感な材料や毒性を持つ材料の分析が可能です。グローブボックスを使用することで、そのような材料は周囲の環境から隔離された制御された条件下で処理・分析することができます。これにより、人体への安全が確保されながら、物質の特性が保持されるため、このような保護措置なしでは不可能な実験結果を得ることができる。