Inleiding
Batterijseparatoren zijn belangrijke componenten in elektrochemische energieopslagsystemen. Ze bieden Ionic geleidbaarheid terwijl ze elektrisch contact tussen de elektroden voorkomen. Hun structuur en stabiliteit hebben een directe invloed op de prestaties, duurzaamheid en veiligheid van batterijen.
Van de verschillende separatorontwerpen hebben keramisch-polymeer composiet separatoren en papieren separatoren steeds meer aandacht gekregen voor geavanceerde toepassingen. In keramisch-polymeer composieten zijn anorganische deeltjes zoals aluminiumoxide, silica of zirconia ingebed in een polymeermatrix. Deze hybride structuur verbetert de mechanische sterkte, de bevochtigbaarheid van elektrolyten en, nog belangrijker, de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit. De keramische fase fungeert als een hittebestendige ruggengraat die de dimensionale integriteit behoudt bij hoge temperaturen, waardoor het risico op krimp of instorten van poriën, die anders kortsluiting zouden kunnen veroorzaken, wordt verminderd. De elektronenbaan is ook onomkeerbaar verbroken bij deze temperaturen, die ver voor het punt liggen waarop Thermische runawayEen thermische runaway is de situatie waarbij een chemische reactor niet meer onder controle is met betrekking tot de temperatuur- en/of drukproductie veroorzaakt door de chemische reactie zelf. Simulatie van een thermische runaway wordt meestal uitgevoerd met een calorimeter volgens versnelde snelheidscalorimetrie (ARC®).thermische runaway kan optreden.
Scheiders op papierbasis, meestal gemaakt van cellulose of synthetische vezels, vormen een andere veelbelovende klasse van materialen. Hun vezelnetwerk zorgt voor een uitstekende absorptie van elektrolyten en voor uniforme ionentransportroutes. Bovendien zijn deze separatoren licht van gewicht, duurzaam en kunnen ze worden aangepast qua porositeit en dikte. Hun thermische en chemische robuustheid hangt echter sterk af van de vezelsamenstelling en mogelijke oppervlaktemodificaties of coatings die ontworpen zijn om omgevingen met hoge temperaturen te weerstaan.
De Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit van beide separatortypes is cruciaal voor een veilige werking van de batterij. Bij oververhitting of misbruik moeten separatoren hun vorm en mechanische integriteit behouden om elektrodecontact te voorkomen. Inzicht in dimensionale veranderingen en verwekingsgedrag bij verhoogde temperaturen is daarom essentieel voor het beoordelen van veiligheidsmarges.
Thermomechanische analyse (TMA) is hiervoor een waardevol hulpmiddel. Door de thermische uitzetting, krimp of vervorming van separatormonsters als functie van de temperatuur te meten, geeft TMA inzicht in hun thermische respons en structurele overgangen. Dergelijke metingen helpen om verschillende separatorformules te vergelijken, materiaalverbeteringen te sturen en betrouwbare prestaties onder veeleisende thermische omstandigheden te garanderen.
Thermogravimetrie (TGA) levert belangrijke informatie over de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit en het ontledingsgedrag van batterijseparatoren. Inzicht in deze processen helpt Identify separatorformules die bestand zijn tegen degradatie en hun structurele integriteit behouden bij hoge temperaturen. TGA-gegevens ondersteunen daarom een veiliger ontwerp van separatoren en helpen bij het vaststellen van operationele grenzen voor betrouwbare batterijprestaties.
Meetomstandigheden
De TGA-meetomstandigheden staan in tabel 1 en de TMA-meetomstandigheden in tabel 2.
Tabel 1: TGA-meetomstandigheden
| Instrument | STA Jupiter® serie |
|---|---|
| Oven | SiC |
| Monster drager | TGA-pen, type S |
| Kroes | 300 μl, Al2O3 kroes, open |
| Monstermassa | 20.26 mg (papieren scheider) 14.60 mg (composiet scheider) |
| Gasstroom | 100 ml/min |
| Gasatmosfeer | Inert/5% zuurstof |
| Temperatuurprogramma | RT - 600°C, 10 K/min |
Tabel 2: TMA-meetomstandigheden
| Instrument | TMA Hyperion® serie |
|---|---|
| Oven | Staal |
| Monsterhouder | SiO2, spanning |
| Monsterlengte | ~ 10 mm |
| Kracht | 1 mN |
| Gasstroom | 50 ml/min |
| Gasatmosfeer | Stikstof |
| Temperatuurprogramma | RT - 400°C, 5 K/min |
Meetresultaten en discussie
De Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit van verschillende scheidingstypes werd onderzocht met TGA-experimenten onder verschillende omstandigheden. Figuur 1 toont de vergelijking van de TGA-curves van een composietafscheider gemaakt van keramiek met een polymeercoating en een papieren afscheider onder inerte omstandigheden. De papierscheider vertoont een massaverlies van 2,1% in het temperatuurbereik tot 150°C, wat gerelateerd kan worden aan het vochtgehalte. Beide scheiders beginnen te OntbindenOntbinding is een van de belangrijkste productiestappen in de keramische en poedermetallurgische industrie. Het verwijst naar de thermische of katalytische verwijdering van additieven die gebruikt worden in stappen voorafgaand aan de productie, zoals gieten.ontbinden boven 220°C. Bij de papierscheider ging 78% van de oorspronkelijke massa verloren door PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse. Alleen Pyrolytische koolstofPyrolytische koolstof is koolstof die ontstaat door pyrolyse van organisch materiaal in een zuurstofvrije atmosfeer. pyrolytische koolstof bleef over. In het geval van de composietafscheider werd alleen de polymeerinhoud gepyrolyseerd (massaverlies ongeveer 18%), terwijl het keramische deel en de geproduceerde Pyrolytische koolstofPyrolytische koolstof is koolstof die ontstaat door pyrolyse van organisch materiaal in een zuurstofvrije atmosfeer. pyrolytische koolstof bleven bestaan.
In de aanwezigheid van een minimaal zuurstofgehalte (bijv. vrijkomend door ontleding van het kathodemateriaal) is de TGA-trend significant anders dan het gedrag onder een inerte atmosfeer. Bij 5% zuurstof overlapt de verbranding van de restkoolstof met de pyrolytische ontleding van de organische inhoud; zie figuur 2.
Figuur 3 toont dezelfde TGA-gegevens van de twee scheiders in een zuurstofhoudende atmosfeer, samen met de sporen vanH2O(m/z 18) enCO2 (m/z 44) die door de massaspectrometer zijn geregistreerd. De geëvolueerde gasanalyse bewijst het vrijkomen van water tijdens de eerste massaverliesstap voor de papierscheider en het gelijktijdig vrijkomen van water en koolstofdioxide tijdens de belangrijkste massaverliesstap.
De mechanische stabiliteit van verschillende scheidingstypes werd onderzocht met TMA-experimenten. Figuur 4 toont de vergelijking van de thermische uitzetting van de papieren scheider (rood) en de composiet scheider (blauw). De metingen werden uitgevoerd in een inerte atmosfeer. De composiet scheider blijft mechanisch stabiel over de gehele meting. Alleen aan het einde van de meting, bij 400°C, werd een lichte krimp vastgesteld. In tegenstelling daarmee wordt bij de papieren scheider een afname van de lengte waargenomen meteen aan het begin van de meting.
Dit is te wijten aan het drogen van het materiaal. Bij hogere temperaturen begint PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse van de organische delen van de twee scheiders, wat leidt tot een verlies van mechanische stabiliteit voor de papierscheider bij 333°C (geëxtrapoleerde beginwaarde). Het massaverlies door PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse en het verlies van mechanische stabiliteit treden op in een vergelijkbaar temperatuurbereik, zoals te zien is in figuur 5, die een vergelijking laat zien van de TGA- en TMA-curven van de papierscheider.
Samenvatting
TGA-MS en TMA metingen bieden een betrouwbare manier om het gedrag van separatoren te voorspellen tijdens thermische gebeurtenissen in lithium-ion batterijen, zoals die worden veroorzaakt door verkeerd gebruik (bijv. snel laden/ontladen; kortsluiting) of technische storingen. In deze studie vertoonde de met keramiek beklede polymeerseparator een aanzienlijk grotere thermische en structurele stabiliteit dan de papieren separator, waarbij de integriteit behouden bleef tot 400°C, terwijl de papieren separator zijn mechanische stabiliteit al verloor bij lagere temperaturen.
Bovendien zijn TGA-MS en TMA-analyses waardevol voor het karakteriseren van ongerepte materialen om Identify eventueel noodzakelijke voorbehandelingsstappen. Voor de papierscheider werden initiële krimp en massaverlies door het vrijkomen van vocht aan het begin van de meting waargenomen. Deze analysetechnieken bieden dus essentiële inzichten voor de selectie en optimalisatie van separatormaterialen, wat bijdraagt aan de algehele veiligheid en betrouwbaarheid van lithium-ion-batterijen.