Thermische stabiliteit van lithium-ionbatterij elektrolyt

Lithium-ion-batterijen zijn nu een alledaags gebruiksvoorwerp, of we ons er nu bewust van zijn of niet. Ze voeden onze mobiele telefoons (gsm's), laptopcomputers tot grotere voorwerpen zoals elektrische voertuigen en vliegtuigen. We horen vaak negatieve verhalen over ongelukken die ermee gebeuren, zoals batterijen die in brand vliegen. Een van de componenten in een lithium-ion-batterij die meestal verantwoordelijk is voor deze schadelijke effecten is de elektrolyt.

Experimenteel

In het volgende onderzoek werden verschillende experimenten uitgevoerd via TGA, DSC en geëvolueerde gasanalyse om een veelgebruikte elektrolyt te onderzoeken (1,0 M _LiPF6 in EC/DEC=50/50 (v/v) verkregen van Sigma-Aldrich) door deze bloot te stellen aan de omgevingsatmosfeer (_N2, _O2,_H2O,_CO2, etc.).monsters werden bereid in een handschoenenkastje gespoeld met argon met behulp van ongeveer 8 tot 10 mg elektrolytoplossing gepipetteerd in 40 ul aluminium filterkroezen die werden afgesloten met aluminium filterkroesdeksels die een lasergesneden gat van 50 μm hadden om gassen te laten ontsnappen. Monsters werden geladen en gemeten met de NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® gekoppeld aan een QMS 403 Aëolos^®met een verwarmingssnelheid van ^5oC/minen argon als spoelgas. Differentiële scanning calorimetrie (DSC) werd uitgevoerd om veranderingen in de samenstelling van de elektrolyt te controleren. Thermogravimetrische analyse (TGA) werd gebruikt om 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 ontledingstemperaturen te meten, terwijl geëvolueerd gas analyse (EGA) via massaspectrometrie (MS) de vrijgekomen producten identificeerde.

TGA-DSC-DTG-curves van onbehandeld EC-DEC-LiPF6 tonen het thermische gedrag en massaverlies bij kritische temperaturen. — Figuur 1: TGA-DSC-DTG-grafieken van onbehandelde EC-DEC-LiPF6

MS-ionenstroomcurves tonen gegevens voor diethylcarbonaat (DEC) bij massanummers 45, 59, 63, 75 en 91, wat duidt op een analyse van de thermische stabiliteit. — Figuur 2: MS-ionstroomcurves 45, 59, 63, 75 en 91 overeenkomend met DEC

Massaspectrumanalyse van diethylcarbonaat (DEC), met de nadruk op belangrijke ionpieken voor nauwkeurige identificatie en stabiliteitsbeoordeling. — Figuur 3: Massaspectrum van DEC

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de TGA (groen), DTG (bruin) en DSC (blauw) curves van een onbehandeld elektrolytmonster bestaande uit ethyleencarbonaat (EC), diethylcarbonaat (DEC) en lithiumhexafluorofosfaat (_LiPF6).het initiële massaverlies kan worden toegeschreven aan 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 van diethylcarbonaat als massagetallen geassocieerd met deze verbinding (45, 59, 63, 75 en 91) blijken te pieken rond ^150oCzoals te zien in figuur 2 met de NIST-bibliotheek massaspectrum van diethylcarbonaat getoond in figuur 3.

Wanneer deze elektrolyt wordt blootgesteld aan de omgevingsatmosfeer, begint de stabiliteit en samenstelling te veranderen. De transformatie is te zien in Figuren 4 en 5 waar de onbehandelde elektrolyt DSC en TGA signalen zijn uitgezet naast de signalen van elektrolyt monsters die werden blootgesteld aan de omgevingsatmosfeer voor verschillende perioden. Geëvolueerde gasanalyse (Figuur 6) bevestigt radicale veranderingen in vergelijking met het onbehandelde monster als de grootste indicator massagetallen met betrekking tot DEC (45, 59, 63, 75 en 91) waren niet langer aanwezig in het blootgestelde monster.

Samengeperste balen drankkartons naast thermische analysegrafieken, die polymeermengsels in recyclaattesten laten zien. — Figuur 4: Vergelijking van TGA-curves van EC-DEC-LiPF6 met verschillende belichtingstijden

Vergelijking DSC-curve van EC-DEC-LiPF6 elektrolyt onder verschillende belichtingstijden, met nadruk op de thermische stabiliteit. — Figuur 5: Vergelijking van de DSC-curves van EC-DEC-LiPF6 met verschillende belichtingstijden

Vergelijking van TGA- en MS-signalen voor onbehandelde en blootgestelde lithium-ion batterij elektrolytmonsters, met de nadruk op stabiliteitsveranderingen. — Afbeelding 6: Vergelijking van de TGA- en MS-signalen van een onbehandeld en een blootgesteld elektrolytmonster

Conclusie

Elektrolyten voor lithium-ionbatterijen zijn bekende materialen die gevoelig zijn voor blootstelling aan atmosferische gassen in de omgeving. Zoals aangetoond kunnen thermische en geëvolueerde gasanalysatoren worden gebruikt om deze materiaaleigenschap te onderzoeken die uiteindelijk de functionaliteit en veiligheid van het product in gevaar kan brengen. De volledige toepassingsnotitie is hier beschikbaar!