| Published: 

Identyfikacja materiału separatora za pomocą TGA-FT-IR

Wprowadzenie

Separatory odgrywają kluczową rolę w akumulatorach litowo-jonowych, ponieważ fizycznie oddzielają anodę i katodę, umożliwiając jednocześnie przepływ jonów litu między elektrodami. W separatorach stosuje się różne materiały i technologie, aby spełnić różne wymagania dotyczące bezpieczeństwa, wydajności i kosztów. Jedną z powszechnie stosowanych grup separatorów w akumulatorach litowo-jonowych są separatory poliolefinowe, ponieważ są one odporne chemicznie na elektrolity, łatwe w produkcji i stosunkowo opłacalne.

W przypadku badań konkurencyjnych, charakterystyka i identyfikacja separatorów może mieć zasadnicze znaczenie dla zapewnienia jakości i poprawy wydajności akumulatora.

Dwie różne folie separatorów zostały zbadane techniką TGA-FT-IR w celu określenia zachowania podczas rozkładu i identyfikacji składu.

Pomiar i dyskusja

Warunki pomiaru są wyszczególnione w tabeli 1.

Tabela 1: Warunki pomiaru

PrzyrządNETZSCH TG Libra® sprzężony z Bruker FT-IR INVENIO
Program temperaturyRT do 850°C
Szybkość ogrzewania10 K/min
Gaz płuczącyAzot, 40 ml/min
TygleAl2O3, 85 μl, otwarty

Rysunek 1 przedstawia porównanie krzywych TGA (próbka A: zielona; próbka B: czerwona) dwóch folii separatora. Obie próbki zostały podgrzane do temperatury 850°C w atmosferze obojętnej, co spowodowało całkowitą pirolizę. W rezultacie nie udało się zidentyfikować zawartości węgla pirolitycznego ani popiołu. Zaobserwowano jednak niewielkie odchylenie w temperaturze początku rozkładu (437°C dla próbki A i 447°C dla próbki B). Jest zatem prawdopodobne, że do produkcji tych folii separacyjnych użyto dwóch różnych materiałów. Za pomocą funkcji c-DTA®® można było również określić temperatury topnienia tych dwóch próbek. Ponownie wykryto znaczącą różnicę 116°C vs. 168°C.

1) Zależna od temperatury zmiana masy (TGA), szybkość zmiany masy (DTG), obliczone krzywe DTA (c-DTA®) i krzywe Grama-Schmidta separatorów A (zielony) i B (czerwony).

Stopienie folii separatora jest ważnym elementem bezpieczeństwa akumulatorów. W nowoczesnych akumulatorach wiele separatorów posiada tak zwaną "funkcję wyłączania". Oznacza to, że w przypadku przegrzania separator topi się lub zamyka swoje pory, zatrzymując przepływ prądu, a tym samym chroniąc akumulator przed niebezpiecznym niekontrolowanym wzrostem temperatury.

Krzywe Grama Schmidta pokazują całkowitą intensywność podczerwieni. Są one dobrze skorelowane z krzywymi TGA i DTG.

Identyfikacja materiału separatora jest wykonywana przykładowo dla próbki A. Funkcja Identify na stronie Proteus® zawiera kilka tysięcy zestawów danych pomiarowych dla różnych metod analizy termicznej i różnych klas materiałów, które można porównać z bieżącymi danymi. W tym przypadku krzywa TGA i Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo).temperatura topnienia określona przez c-DTA® próbki A są porównywane z danymi z biblioteki polimerów. Wykazują one duże podobieństwo do polipropylenu (różowe krzywe); patrz rysunek 2.

2) Zależna od temperatury zmiana masy (TGA), szybkość zmiany masy (DTG) i krzywa Grama-Schmidta separatora A w porównaniu z wynikiem identyfikacji dla polipropylenu.

Jako dodatkowy dowód, widma fazy gazowej wykryte przez FT-IR w 462 ° C porównano z widmami w bazie danych polimerów TGAFT- IR, która zawiera widma pirolizy wszystkich typowych polimerów. Ponownie stwierdzono wysokie podobieństwo do polipropylenu; patrz rysunek 3.

3) Porównanie zmierzonego widma FT-IR próbki A w temperaturze 462°C (czerwony) z widmem pirolizy polipropylenu (niebieski).

Przed pomiarem TGA-FT-IR, widmo ATR-IR może być również pomocne w identyfikacji. Folię separatora umieszczono na krysztale diamentowym ATR i wykonano widmo IR materiału stałego; patrz rysunek 4. Porównanie widma z biblioteką również wykazało duże podobieństwo do polipropylenu, jak pokazano na rysunku 5.

4) Spektrometr Bruker INVENIO wyposażony w jednostkę ATR.
5) Porównanie zmierzonego widma ATR próbki A (czerwony) z widmem ATR polipropylenu z bazy danych (niebieski).

Podsumowanie

Połączenie wagi termowizyjnej (TGA) i systemu FT-IR zapewnia komplementarny zestaw danych pomiarowych - takich jak Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo).temperatura topnienia, zachowanie podczas rozkładu, Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. Dlatego pomiar TGA pozwala określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.zawartość popiołu, zawartość wypełniacza i identyfikacja uwalnianych gazów - z jednego pomiaru próbki. W tym przykładzie, Stabilność termicznaMateriał jest stabilny termicznie, jeśli nie ulega rozkładowi pod wpływem temperatury. Jednym ze sposobów określenia stabilności termicznej substancji jest użycie analizatora termograwimetrycznego (TGA). stabilność termiczna i materiał folii separatora mogły zostać zidentyfikowane przy użyciu biblioteki Identify, bazy danych TGA-FT-IR polimerów i widma ATR związku stałego przy użyciu tylko jednego zestawu przyrządów.