Wprowadzenie
Ogniwa litowo-jonowe stają się coraz bardziej popularne. Oferują one wyższą gęstość mocy i pojemność oraz możliwość ładowania. W ogniwie zachodzi wiele złożonych zmian chemicznych i fizycznych w zależności od czasu, temperatury i obciążenia cyklicznego. Ilość ciepła uwalnianego lub pochłanianego podczas tych zmian fizykochemicznych oraz szybkość zmian energii w ogniwie monetowym dostarcza dodatkowych informacji na temat chemii ogniwa i może przyspieszyć proces rozwoju baterii.
Ogrzewanie ogniw pastylkowych i dokładne monitorowanie ich rozkładu dostarcza informacji nie tylko na temat bezpieczeństwa, ale także pozwala zrozumieć, w jaki sposób formacje zachodzą w ogniwie. Na przykład, można wyraźnie zaobserwować rozkład międzyfazowy elektrolitu stałego (SEI) jako jedną z pierwszych sygnatur cieplnych rozkładu ogniwa. Poprzez dokładny pomiar temperatury, energii i szybkości uwalniania energii można ocenić siłę formacji SEI; im larger szczyt rozkładu, tym więcej energii zmagazynowanej w warstwie SEI.
Testy DSC materiału ogniw to sprawdzony sposób na tworzenie bezpieczniejszych ogniw i poprawę ich rozwoju. Uzyskanie wyraźnych temperatur początkowych głównych zdarzeń rozkładu egzotermicznego w ogniwie, pomiar kinetyki tychReakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkładów w wyższych temperaturach ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zachowania różnych chemikaliów ogniw narażonych na wewnętrzne zwarcia lub gorące spots. Projektowanie bardziej wytrzymałych układów chemicznych jest jednym z ważnych sposobów zapobiegania lub ograniczania ryzyka i zagrożeń związanych z awariami w terenie. Small Inwestycje na tym etapie rozwoju mogą przynieść large korzyści finansowe w późniejszym okresie użytkowania produktu.
Takie testy DSC były wcześniej wykonywane poprzez ekstrakcję materiału ogniwa z ogniwa monetowego i wykonanie testu w konwencjonalnym DSC. Obecnie, wraz z pojawieniem się nowego wysokotemperaturowego modułu ogniw pastylkowych firmy NETZSCH, skan DSC można wykonać in-situ na całej baterii pastylkowej. Niniejsza nota aplikacyjna po raz pierwszy przedstawia skan DSC komercyjnego akumulatora litowo-jonowego z ogniwem pastylkowym w temperaturze od pokojowej do 300°C.
Oprzyrządowanie
Nowym urządzeniem jest wysokotemperaturowy moduł ogniw pastylkowych na NETZSCH Kalorymetr wielomodułowy (MMC)Wielotrybowe urządzenie kalorymetryczne składające się z jednostki bazowej i wymiennych modułów. Jeden moduł jest przygotowany do kalorymetrii z przyspieszeniem (ARC®), ARC®-Module. Drugi służy do testów skanowania (Scanning Module), a trzeci do testowania baterii ogniw monetowych (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus® (rys. 1). Jest to jedyny na świecie system podobny do DSC do badaniaarch i kontroli jakości baterii ogniw pastylkowych. Kluczowym elementem tego nowego urządzenia jest czujnik (rys. 2 i 3). Charakteryzuje się on innowacyjną różnicową konstrukcją pomiarową opartą na termoparach, zapewniającą lepszą czułość i stabilność pomiaru przepływu ciepła. Został zaprojektowany do przechowywania standardowych lub prototypowych baterii pastylkowych jako próbek lub odniesienia. Zewnętrzny cykler baterii można łatwo podłączyć do przyrządu za pomocą złącza LEMO typu plug-andplay. Izotermiczne cykle ogniw pastylkowych można łatwo przeprowadzić w różnych warunkach ładowania/rozładowania. Nowy solidny przyrząd może również wykonywać skanowanie DSC na całym ogniwie pastylkowym, co wcześniej nie było możliwe.
Wyniki
Skan DSC komercyjnego ogniwa litowo-jonowego LiR2032 od temperatury pokojowej do 300°C przeprowadzono z prędkością 1K/min przy użyciu modułu HT Coin Cell Module. Rysunek 4 przedstawia wynik przepływu ciepła. Są to pierwsze tego typu dane na świecie. Pokazuje on wiele reakcji podczas rozpadu ogniwa monetarnego po podgrzaniu. Oczywiste jest, że po egzotermicznym rozkładzie SEI następuje stopienie separatora w temperaturze około 130°C (gwałtowne zdarzenie endotermiczne). Ta endotermia zachodzi niemal jednocześnie z reakcją pomiędzy elektrolitem i litem. Rozkład elektrolitu i reakcja między litem a spoiwem zachodzą w wyższej temperaturze.
Wynik ten zgadza się z opublikowaną symulacją DSC różnych komponentów ogniwa (rysunek 5) [1]. Rysunek 6 przedstawia zdjęcie ogniwa pastylkowego przed i po teście. Zgodnie z oczekiwaniami, ogniwo uległo wyraźnej dezintegracji pod wpływem wysokiej temperatury. Jednak czujnik ogniwa HT pozostał nienaruszony ze względu na jego solidną konstrukcję.
Wnioski
Nowy moduł HT Coin Cell Module na NETZSCH Kalorymetr wielomodułowy (MMC)Wielotrybowe urządzenie kalorymetryczne składające się z jednostki bazowej i wymiennych modułów. Jeden moduł jest przygotowany do kalorymetrii z przyspieszeniem (ARC®), ARC®-Module. Drugi służy do testów skanowania (Scanning Module), a trzeci do testowania baterii ogniw monetowych (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus® otworzył nowe możliwości dla badań baterii pastylkowycharch. Innowacyjnie zaprojektowany czujnik umożliwia test całego ogniwa pastylkowego. Skanowanie DSC do 300°C jest teraz możliwe na ogniwie pastylkowym. Możliwe jest wykrycie wielu zdarzeń podczas rozpadu ogniwa. Takie informacje pomogą naukowcom zajmującym się bateriami zrozumieć, co się stanie, gdy ogniwo zostanie poddane działaniu wysokiej temperatury lub wewnętrznego zwarcia, dzięki czemu będą mogli zaprojektować ogniwo o wyższej wydajności i lepszym bezpieczeństwie.