03.09.2025 by Aileen Sammler
Verbetering van de veiligheid van lithium-ionbatterijen: Thermische en kinetische analyse van LiPF₆ elektrolyten met de NETZSCH DSC & Kinetics Neo
Ontdek hoe Differentiële Scanning Calorimetrie (DSC) en de Kinetics Neo software van NETZSCH de veiligheid van lithium-ionbatterijen verbeteren door de thermische en kinetische stabiliteit van op LiPF₆ gebaseerde elektrolyten te analyseren, 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 te voorkomen en de prestaties te optimaliseren.
Lithium-ionbatterijen (LIB's) drijven onze smartphones, elektrische voertuigen en opslagsystemen voor hernieuwbare energie aan. Omdat de wereldwijde vraag snel toeneemt, zijn veiligheid en betrouwbaarheid topprioriteiten geworden. Regelgevende kaders zoals de EU Battery Regulation 2023 en internationale normen leggen nu strenge eisen op voor het testen van de thermische veiligheid van batterijen.
Het hart van elke LIB wordt gevormd door de elektrolyt en een van de meest gebruikte zouten in carbonaatoplossingen is LiPF₆. Hoewel LiPF₆ een uitstekende Ionic geleidbaarheid heeft en compatibel is met grafietanoden, is het thermisch en chemisch instabiel. Deze instabiliteit kan leiden tot 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, een belangrijk veiligheidsprobleem bij elektrische mobiliteit en stationaire opslag.
Om deze uitdagingen aan te gaan, vertrouwen onderzoekers en fabrikanten op geavanceerde materiaalkarakterisering. In deze nieuwe toepassingsnotitie werd een NETZSCH DSC in combinatie met de Kinetics Neo software 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 ontledingskinetiek van elektrolyten op basis van LiPF₆ te analyseren.
Belangrijkste resultaten van het onderzoek
Thermische gebeurtenissen geïdentificeerd met DSC
Een NETZSCH DSC werd gebruikt om LiPF₆ te analyseren in een gemengd carbonaatoplosmiddelsysteem (EMC+DMC+EC, 1:1:1). Boven 190°C werden de volgende thermische effecten gedetecteerd:
- Endotherme piek (≈230°C) → ontleding van LiPF₆ en oplosmiddel-specifieke interacties
- Exotherme piek (≈250°C) → interactie van LiPF₆ met EC, ringsplitsingsreacties
- Brede exotherme piek (≈290°C) → polymerisatiereacties, PEO-achtige producten, CO₂-vrijgave
Kinetische analyse met Kinetics Neo software
- Kinetische evaluatie bevestigde een drietrapsreactiemodel met activeringsenergieën van 146,3, 137,2 en 118,6 kJ/mol.
- De correlatie tussen de gemeten en berekende gegevens bereikte R² = 0,997, wat duidt op een uitstekende overeenkomst tussen experimentele en gesimuleerde gegevens
Voorspellingen voor echte scenario's
- Isotherme voorspelling: Ontleding begon na ≈1 dag bij 150°C, na ≈9 dagen bij 130°C en na ≈24 dagen bij 120°C.
- Adiabatische voorspelling: Onder adiabatische omstandigheden trad 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 op na ≈5 dagen bij 150°C.
Waarom het belangrijk is voor de batterij-industrie van vandaag
- De veiligheid van batterijen is een kritieke uitdaging voor EV's en netopslag.
- Naleving van de regelgeving vereist een diepgaande analyse van 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 elektrolyten.
- Materiaalontwikkelaars kunnen formules optimaliseren om risico's te minimaliseren en de levensduur van batterijen te verlengen.
Door het combineren van Differential Scanning Calorimetry(DSC) en Kinetics NeoNETZSCH biedt een krachtige toolkit voor het voorspellen van het gedrag van elektrolyten onder reële bedrijfs- en misbruikomstandigheden.
Voordelen van de NETZSCH DSC voor batterijonderzoek
Het NETZSCH DSC 300 Caliris® analyse-instrument heeft een uitzonderlijke gevoeligheid en flexibiliteit, waardoor het de ideale tool is voor het analyseren van batterij-elektrolyten en materialen.
In de context van de veiligheid van lithium-ionbatterijen stelt de DSC onderzoekers in staat om nauwkeurig FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen, ontledingstemperaturen en warmtestroomgebeurtenissen te bepalen die cruciaal zijn voor het identificeren van het begin van 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. Met zijn modulaire ontwerp en hogedrukkroezen zorgt de DSC Caliris® voor betrouwbare resultaten, zelfs voor vluchtige elektrolytsystemen.
Voordelen van Kinetics Neo bij veiligheidsanalyse van batterijen
De softwareKinetics Neo breidt DSC-metingen uit door voorspellende simulaties onder reële omstandigheden mogelijk te maken. Voor ontwikkelaars van batterijen betekent dit dat gegevens van een set van drie DSC-verwarmingsexperimenten kunnen worden gebruikt om isotherme opslagstabiliteit, adiabatische omstandigheden en verschillende temperatuurprofielen te modelleren.
Dit maakt nauwkeurige voorspellingen mogelijk van het gedrag van de elektrolyt tijdens gebruik, transport of misbruikscenario's - ter ondersteuning van het ontwerp van veiligere batterijsystemen met een langere levensduur.
Conclusie
De combinatie van NETZSCH DSC en Kinetics Neo software levert essentiële inzichten in de thermische en kinetische stabiliteit van elektrolyten op basis van LiPF₆. Deze resultaten ondersteunen ontwikkelaars van batterijen direct bij het voorkomen van 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, het voldoen aan veiligheidsnormen en het bevorderen van de overgang naar veilige en duurzame systemen voor e-mobiliteit en energieopslag.
? Lees de volledige toepassingsnotitie hier:
Meer informatie over NETZSCH DSC-instrumenten en Kinetics Neo software
