Gelijktijdige TG-MS en TG-FT-IR voor innovatieve batterijmaterialen

Inleiding

Het onderzoek naar innovatieve batterijmaterialen is momenteel een levendig gebied, gedreven door de noodzaak om alternatieve of aanvullende oplossingen te vinden voor de huidige dominante technologie, d.w.z. lithium-ion batterijen [1]. Aangezien deze technologie beperkingen heeft op het gebied van duurzaamheid, beschikbaarheid van grondstoffen en energie/vermogenprestaties, worden er voortdurend nieuwe materialen voor de kathode, anode en elektrolyt voorgesteld om deze uitdagingen aan te gaan. Thermoanalytische technieken kunnen het onderzoek naar elektrochemische energieopslag goed ondersteunen, zoals al is aangetoond in eerdere toepassingsadviezen. Tot nu toe hebben we ons gericht op het presenteren van voorbeelden over standaard lithium-ion batterijtechnologie. [2, 3, 4]

In deze toepassingsnotitie laten we zien hoe deze technieken ook het onderzoek naar nieuwe materialen voor batterijen kunnen ondersteunen. Meer specifiek werd thermogravimetrische analyse, gelijktijdig gekoppeld aan een massaspectrometer (TG-MS) en Fourier transform infrarood spectroscopie (TG-FT-IR) uitgevoerd op monsters van molybdeentrioxide (_MoO3) gemodificeerd door de inbrenging, in de ruimten binnen de kristalstructuur, van octylamine, een organisch molecuul, met een molaire verhouding van _MoO3:octylamine van 1:1 [5]. De octylamine wordt ingebracht om een bron van koolstof te leveren die in nauw contact staat met _MoO3 (figuur 1).

Dit anorganische materiaal is bedoeld als kathodemateriaal en de koolstof werkt als een promotor van de elektrochemische reacties door de geleiding van elektronen te verbeteren. Daarom is de koolstof gunstig voor het bereiken van hoge prestaties met gelaagde oxiden zoals _MoO3, die vaak halfgeleiders of isolatoren zijn. Na het inbrengen van de organische molecule wordt het gemodificeerde materiaal (MoOx-OA) onderworpen aan een pyrolyseproces en het gebruik van TG-MS en TG-FT-IR was nodig om te onderzoeken welke veranderingen optreden in het materiaal tijdens deze behandeling. Het doel is met name om te begrijpen of er koolstof wordt gevormd tijdens de PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse en of deze koolstofvorming de molybdeenoxide-structuur beïnvloedt.

Meetomstandigheden

TG-MS en TG-FT-IR analyses werden uitgevoerd met een NETZSCH TG 209 F1 Libra^® thermische analyzer, werkend onder argonstroom met een verwarmingssnelheid van 10 K/min. Het temperatuurbereik liep van 40 °C tot 70 °C in open _Al2O3 smeltkroezen die ongeveer 20 mg van het monster bevatten Massaspectrometrische (MS) gegevens werden verzameld met een QMS 403 Aëolos^® Quadro massaspectrometer in het 10-300 m/z bereik. Daarnaast werden Fourier-transform infrarood (FT-IR) spectra verkregen met een BRUKER Invenio spectrometer in absorptiemodus, in het bereik van 4500 tot 650 ^cm-1 met een resolutie van 4 ^cm-1.

Meetresultaten

De bevindingen suggereren dat MoOx-OA drie belangrijke structurele overgangen doormaakt tijdens PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse. Deze overgangen kunnen uitgebreid worden opgehelderd door de evoluerende gasvormige producten te analyseren met TG-MS en TG-FT-IR bij verschillende temperaturen.

In een eerste fase tussen 120°C en 200°C (geel in figuur 2) wijzen de thermogravimetrische resultaten op een massaverlies in twee stappen van ongeveer 24 wt%, dat samenvalt met het vrijkomen van gasvormige stoffen. De m/z = 17 en 18 signalen in de TG-MS resultaten duiden op de desorptie van watermoleculen aan het oppervlak en ammoniak (NH3), mogelijk afkomstig van de ontleding van octylamine. De m/z = 30 pieken komen overeen met het ion [_CH2NH2]+, wat duidt op octylamine-ionisatie. Bovendien kan m/z = 28 worden toegeschreven aan koolwaterstoffen,_CO2 of _N2, en m/z = 44 aan koolwaterstoffen of_CO2. De TG-FT-IR resultaten in figuur 3 ondersteunen de evolutie van moleculaire octylamine en water, samen met sporen van_CO2 en _NH3 in dit temperatuurbereik (zie ook figuur 4a). Daarom zijn de primaire oorzaken van het krimpen van de tussenlagen het verlies van los gebonden octylamine en water door VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping, samen met het aanvankelijke begin van de ontleding van octylamine.

Een tweede fase tot 350°C (in lichtblauw in figuur 2) wordt gekenmerkt door een geaccumuleerd massaverlies van ongeveer 43 wt%, gedetecteerd door TG en vergezeld van gelijktijdige MS-signalen op m/z = 17, 18 en 44. Dit duidt op verder vrijkomen van water en octylamine ontledingsproducten (NH3 en koolwaterstoffragmenten). Dit duidt op verder vrijkomen van water en octylamine-ontledingsproducten (_NH3 en koolwaterstoffragmenten). FT-IR spectra in het 3000 - 2800 ^cm-1 bereik bevestigen de evolutie van koolwaterstoffen, terwijl het dubbelzinnige patroon in het 1500 - 650 ^cm-1 gebied toewijzing aan een specifieke molecule verhindert (figuur 4b). Sterke ammoniakabsorptiepatronen in hetzelfde temperatuurbereik bevestigen de ontleding van octylamine.

In de laatste fase (in violet in figuur 2) wordt een massaverlies waargenomen boven ongeveer 650°C, met een cumulatief massaverlies van 58 wt%. Dit komt overeen met een MS-signaal bij m/z = 44, toegeschreven aan_CO2, wat duidt op carbotherme reductie van _MoO3 tot _MoO2, veroorzaakt door de koolstof die achterblijft als product van de ontleding van de octylamine. Een andere sterke piek bij m/z = 28 kan worden toegewezen aan zowel_CO2 als CO, en FT-IR spectra bij deze temperatuur bevestigen de gelijktijdige aanwezigheid van deze twee gassen (figuur 3 en 4c).

Conclusie

Samenvattend werd waargenomen dat tijdens het verhittingsproces bepaalde delen van de los gebonden moleculaire octylamine en de ontledingsproducten daarvan vrijkomen uit de tussenlaagruimte voordat ze worden omgezet in elementaire koolstof. Bovendien treedt boven 650 °C een uitgesproken carbotherme reductie van het oxide op; hierdoor wordt de structuur van het molybdeenoxide gewijzigd door zuurstof uit de structuur te verwijderen. De productie van koolstof na PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse werd bevestigd, maar de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping/ontleding van een deel van de octylamine verwijderde een aanzienlijk deel van deze koolstofbron. Toekomstige inspanningen gericht op het verbeteren van de syntheseroute kunnen daarom prioriteit geven aan het gebruik van sterker gebonden en/of minder vluchtige organische moleculen, aangezien een grotere hoeveelheid koolstof de elektrochemische prestaties van het kathodemateriaal van de batterij kan verbeteren. Desondanks presteerde het resulterende materiaal na PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse beter als batterijkathode dan het _MoO3 referentiemonster wat betreft de capaciteit die werd bereikt bij hoge stromen en de stabiliteit van de batterij zelf.

De combinatie van TG-MS en TG-FT-IR was nodig om Identify en/of de vorming van bepaalde gassen in de verschillende stappen van de pyrolysereactie te bevestigen.