Inleiding
Batterijelektrolyten spelen een cruciale rol bij energieopslag en zijn een essentieel onderdeel van moderne batterijtechnologieën. Deze stoffen maken de stroom van ionen tussen de elektroden mogelijk, wat essentieel is voor het opladen en ontladen van de batterij. In de afgelopen jaren heeft onderzoek naar batterijelektrolyten aanzienlijke vooruitgang geboekt in het verbeteren van de efficiëntie, veiligheid en levensduur van batterijen. Met het toenemende belang van elektrische voertuigen en hernieuwbare energie is het begrijpen en verbeteren van elektrolyten essentieel voor een duurzame energietoekomst.
Gevaren zoals oververhitting of 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 moeten echter worden overwogen en onderzocht. Thermische analyse geeft inzicht in de thermische eigenschappen, zoals FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang of ontleding, van deze materialen.
Het veelgebruikte lithium hexafluoroarsenaat (LiAsF6), dat de vele batterijelektrolyten vertegenwoordigt, werd onderzocht op calorische effecten en massaveranderingen met behulp van simultane thermische analyse.
Meetomstandigheden
Vanwege de hygroscopische eigenschappen van LiAsF6 werd het monster geprepareerd in de handschoenenkast onder argon om te voorkomen dat het materiaal water zou absorberen. De STA-meting werd ook uitgevoerd in een met argon gezuiverde handschoenenkast. Gedetailleerde meetparameters zijn te vinden in tabel 1.
Tabel 1: Meetparameter gebruikt voor de invesitgatie met de STA 449 Jupiter®
| Parameter | Monster LiAsF6 |
|---|---|
| Gewicht monster | 12.1 mg |
| Kroes | Concavus® Al, deksel met gaatjes |
| Sensor | TGA-DSC Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp, type S |
| Oven | SiC |
| Temperatuurprogramma | RT tot 600°C |
| Verwarmingssnelheid | 10 K/min |
| Gasatmosfeer | Argon |
| Gasstroom | 70 ml/min |
Meetresultaten
De TGA-DSC resultaten worden weergegeven in figuur 1. De massaverliescurve vertoont twee stappen van 1,1% en 81,7%. De eerste massaverliesstap kan waarschijnlijk worden toegeschreven aan het vrijkomen van vocht. De tweede massaverliesstap is te wijten aan de ontleding van LiAsF6. Twee endotherme effecten met piektemperaturen van 122,8 °C en 497,7 °C en enthalpie van 25,18 J/g en 337 J/g kunnen worden gedetecteerd uit de DSC-curve; deze correleren met de massaverliesstappen. Daarnaast kan bij een temperatuur van 265 °C een omkeerbare vast-vaste FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang van LiAsF6 van rhomboëdervorm naar kubiek worden geïdentificeerd1.
1Gavrichev, K.S., Sharpataya, G.A., Gorbunov, V.E. et al. Thermodynamische eigenschappen en ontleding van lithiumhexafluorarsenaat, LiAsF6. Inorganic Materials 39, 175-182 (2003). https://doi.org/10.1023/A:1022102914631
Samenvatting
De karakterisering van energetische effecten en de ontleding van de batterij-elektrolyt LiAsF6 werd met succes uitgevoerd met behulp van simultane thermische analyse. Dankzij de mogelijkheid om de monstervoorbereiding en de STA-meting in een handschoenkast uit te voeren, kunnen zelfs materialen die anders zouden reageren met de omringende atmosfeer - zoals het onderzochte LiAsF6-materiaal - met succes worden gemeten. Op basis van de verkregen gegevens kan worden vastgesteld dat LiAsF6 stabiel blijft tot de vast-vaste fase transformatie bij ongeveer 265°C. Bij temperaturen boven 300 °C ontleedt het materiaal onder inerte omstandigheden. Deze informatie levert extra kennis op met betrekking tot potentiële gevaren zoals oververhitting en 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.
Alle NETZSCH instrumenten kunnen in een handschoenenkastje gebruikt worden, waardoor het mogelijk is om materialen te analyseren die gevoelig zijn voor omgevingsomstandigheden of toxische eigenschappen hebben. Door gebruik te maken van een handschoenenkast kunnen dergelijke materialen worden verwerkt en geanalyseerd onder gecontroleerde omstandigheden, geïsoleerd van de omgeving. Hierdoor kunnen experimentele resultaten worden verkregen die zonder deze beschermende maatregelen niet mogelijk zouden zijn, omdat het materiaal zijn eigenschappen behoudt terwijl de veiligheid van de mens gegarandeerd is.