리튬 이온 배터리 전해질의 열 안정성

리튬 이온 배터리에서 일반적으로 사고의 원인이 되는 구성 요소 중 하나는 전해액입니다. 다음 기사에서는 구성, 열 안정성을 조사하고 방출된 제품을 식별하기 위해 TGA, DSC 및 진화 가스 분석을 통해 여러 가지 실험을 수행했습니다.

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.

그림 1: 처리되지 않은 EC-DEC-LiPF6의 TGA-DSC-DTG 그래프

그림 2: DEC에 해당하는 MS 이온 전류 곡선 45, 59, 63, 75, 91

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.

그림 5: 다양한 노출 시간에 따른 EC-DEC-LiPF6의 DSC 곡선 비교

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!