はじめに
セパレーターは、電極間のリチウムイオンの通過を可能にしながら、負極と正極を物理的に分離するため、リチウムイオン電池において重要な役割を果たす。セパレーターには、安全性、性能、コストなどのさまざまな要件を満たすために、さまざまな材料や技術が使用されている。リチウムイオン電池で一般的に使用されるセパレーターのひとつはポリオレフィンセパレーターで、電解液に対する化学的耐性があり、製造が容易で、比較的コスト効率が高いからである。
競争的な研究の場合、セパレーターの特性評価と同定は、品質を確保し、電池の性能を向上させるために不可欠である。
2種類のセパレーター箔をTGA-FT-IR法で調査し、分解挙動を測定し、組成を特定した。
測定と考察
測定条件は表1に詳しい。
表1：測定条件
| 測定装置 | NETZSCH TG Bruker FT-IR INVENIO に接続Libra® |
|---|---|
| 温度プログラム | RTから850 |
| 加熱速度 | 10K/分 |
| パージガス | 窒素、40 ml/分 |
| るつぼ | Al2O3, 85 μl、オープン |
図1は、2つのセパレーター箔のTGA曲線（サンプルA：緑、サンプルB：赤）の比較である。どちらのサンプルも不活性雰囲気下で850℃まで加熱され、完全な熱分解が生じた。その結果、熱分解炭素や灰分は確認できなかった。しかし、分解開始温度にわずかなずれ（試料Aは437℃、試料Bは447℃）が観察された。従って、これらのセパレーター箔には2つの異なる材料が使用されたと考えられる。c-DTA®®機能を用いて、これら2つのサンプルの融点も測定することができた。ここでも、116℃対168℃の有意差が検出された。
セパレーター箔の溶融は、バッテリーにとって重要な安全機能である。最近のバッテリーでは、多くのセパレーターがいわゆる「シャットダウン機能」を備えている。つまり、過熱するとセパレーターが溶けるか気孔が閉じて電流が流れなくなり、危険な熱暴走が起こる前にバッテリーを保護する。
グラム・シュミット曲線は赤外総強度を示している。TGAおよびDTG曲線と良い相関がある。
セパレーター材料の同定は、サンプルAについて例証的に実行されています。Proteus® の Identify 機能には、さまざまな熱分析法とさまざまなクラスの材料について、数千件の測定データセットが含まれており、現在のデータと比較することができます。ここでは、サンプルAのTGA曲線とc-DTA® 、ポリマーライブラリのデータと比較しています。これらはポリプロピレン（ピンク色の曲線）と高い類似性を示しています（図2参照）。
さらなる証拠として、462℃のFT-IRで検出された気相スペクトルを、すべての代表的なポリマーの熱分解スペクトルを含むポリマーのTGAFT- IRデータベースのスペクトルと比較した。ここでもポリプロピレンとの高い類似性が見出された；図3を参照。
TGA-FT-IR測定の前に、ATR-IRスペクトルも同定に役立つ場合がある。セパレーター箔をATRダイヤモンド結晶の上に置き、固形物のIRスペクトルを測定した（図4参照）。このスペクトルをライブラリーと比較したところ、図5に示すように、ポリプロピレンとの類似性が高かった。
概要
熱天秤(TGA)とFT-IRシステムを組み合わせることで、融点、分解挙動、灰分含有量、フィラー含有量、放出ガスの同定などの測定データを、たった1回のサンプル測定から補完的に得ることができます。この例では、Identifyライブラリ、ポリマーのTGA-FT-IRデータベース、および固体化合物のATRスペクトルを使用して、セパレーターフォイルの熱安定性と材質を、たった1回の装置セットアップで特定することができます。