리튬 이온 배터리 전해질의 열 안정성

리튬 이온 배터리는 이제 우리가 인식하든 인식하지 못하든 일상에서 꾸준히 사용되는 품목입니다. 휴대폰, 노트북 컴퓨터부터 전기 자동차, 비행기와 같은 대형 기기에 전원을 공급하는 리튬 이온 배터리를 볼 수 있습니다. 배터리 발화 등 리튬 이온 배터리로 인한 사고에 대한 부정적인 이야기를 자주 듣게 됩니다. 리튬 이온 배터리에서 일반적으로 이러한 유해한 영향을 미치는 성분 중 하나는 전해질입니다.

실험적

다음 연구에서는 주변 대기(_N2, _O2, _H2O,_CO2 등)에 노출시켜 일반적으로 사용되는 전해질(시그마-알드리치에서 구입한 EC/DEC=50/50(v/v)의 1.0M _LiPF6 )을 조사하기 위해 TGA, DSC 및 진화 가스 분석을 통해 여러 실험을 수행했습니다.샘플은 아르곤으로 퍼지된 글러브 백에서 약 8~10mg의 전해질 용액을 40μl 알루미늄 도가니에 피펫팅하여 가스가 배출되도록 레이저 절단된 50μm 구멍이 뚫린 알루미늄 도가니 뚜껑으로 밀봉했습니다. 샘플은 NETZSCH STA 449로 로드하고 측정했습니다 F1 Jupiter^® 에 결합된 QMS 403 Aëolos^® 를 사용하여 ^5oC/min의가열 속도와 아르곤을 퍼지 가스로 사용했습니다. 전해질 조성의 변화를 모니터링하기 위해 시차 주사 열량 분석(DSC)을 수행했습니다. 열 중량 분석 (TGA)을 사용하여 열 안정성과 분해 온도를 측정하고, 질량 분석(MS)을 통한 진화 가스 분석 (EGA)으로 방출된 제품을 확인했습니다.

처리되지 않은 EC-DEC-LiPF6의 TGA-DSC-DTG 곡선은 임계 온도에서 열 거동과 질량 손실을 보여줍니다. — 그림 1: 처리되지 않은 EC-DEC-LiPF6의 TGA-DSC-DTG 그래프

MS 이온 전류 곡선은 질량 번호 45, 59, 63, 75, 91에서 디에틸카보네이트(DEC)에 대한 데이터를 보여주며, 열 안정성 분석을 나타냅니다. — 그림 2: DEC에 해당하는 MS 이온 전류 곡선 45, 59, 63, 75, 91

정확한 식별 및 안정성 평가를 위해 주요 이온 피크를 강조하는 디에틸 카보네이트(DEC)의 질량 스펙트럼 분석. — 그림 3: DEC의 질량 스펙트럼

결과 및 토론

그림 1은 에틸렌 카보네이트(EC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및 리튬 헥사플루오로인산염(_LiPF6)으로 구성된 미처리 전해질 샘플의 TGA(녹색), DTG(갈색) 및 DSC(파란색) 곡선을 보여줍니다.이 화합물과 관련된 질량 수(45, 59, 63, 75, 91)가 그림 2에서 볼 수 있듯이 그림 3에 표시된 디에틸 카보네이트의 NIST 라이브러리 질량 스펙트럼과 함께 ^150oC주변에서 정점을 이루는 것으로 확인되므로 초기 질량 손실은 증발에 기인하는 것으로 추정할 수 있습니다.

이 전해질이 주변 대기에 노출되면 안정성과 구성이 변화하기 시작합니다. 이러한 변화는 그림 4와 5에서 볼 수 있으며, 여기에는 처리되지 않은 전해질 DSC 및 TGA 신호가 다양한 시간 동안 주변 대기에 노출된 전해질 샘플의 신호와 함께 표시됩니다. 진화 가스 분석(그림 6)은 가장 큰 지표인 DEC(45, 59, 63, 75 및 91)와 관련된 질량 수가 노출된 샘플에 더 이상 존재하지 않기 때문에 처리되지 않은 샘플과 비교할 때 급격한 변화를 확인 할 수 있습니다.

재활용 테스트에서 폴리머 혼합물을 보여주는 열 분석 그래프 옆의 음료수 상자 압축 베일. — 그림 4: 노출 시간이 다른 EC-DEC-LiPF6의 TGA 곡선 비교

다양한 노출 시간에 따른 EC-DEC-LiPF6 전해질의 DSC 곡선 비교, 열 안정성을 강조합니다. — 그림 5: 다양한 노출 시간에 따른 EC-DEC-LiPF6의 DSC 곡선 비교

처리되지 않은 리튬 이온 배터리 전해질 샘플과 노출된 리튬 이온 배터리 전해질 샘플의 TGA 및 MS 신호를 비교하여 안정성 변화를 강조합니다. — 그림 6: 처리되지 않은 전해질 시료와 노출된 전해질 시료의 TGA 및 MS 신호 비교

결론

리튬 이온 배터리 전해질은 주변 대기 가스에 노출될 경우 민감하게 반응하는 물질로 알려져 있습니다. 열 및 진화 가스 분석기는 궁극적으로 제품의 기능과 안전성을 손상시킬 수 있는 이러한 재료 특성을 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 전체 애플리케이션 노트는 여기에서 확인할 수 있습니다!