Stabilność termiczna elektrolitu akumulatorów litowo-jonowych

Jednym ze składników akumulatora litowo-jonowego, który jest zwykle odpowiedzialny za awarie, jest elektrolit. W poniższym artykule przeprowadzono kilka eksperymentów za pomocą TGA, DSC i analizy gazów wydzielanych w celu zbadania składu, stabilności termicznej i identyfikacji uwalnianych produktów.

Baterie litowo-jonowe są obecnie stałym elementem codziennego użytku, niezależnie od tego, czy jesteśmy tego świadomi, czy nie. Można je znaleźć w telefonach komórkowych, laptopach, largelub przedmiotach takich jak pojazdy elektryczne i samoloty. Często słyszymy negatywne historie o nieszczęśliwych wypadkach, które się z nimi zdarzają, takich jak zapalenie się baterii. Jednym ze składników baterii litowo-jonowej, który jest zwykle odpowiedzialny za te szkodliwe skutki, jest elektrolit.

Eksperymentalny

W poniższym badaniu przeprowadzono kilka eksperymentów za pomocą TGA, DSC i analizy gazów wydzielanych w celu zbadania powszechnie stosowanego elektrolitu (1,0 M _LiPF6 w EC/DEC = 50/50 (v/v) nabytego od Sigma-Aldrich) poprzez poddanie go działaniu atmosfery otoczenia (_N2, _O2,_H2O,_CO2 itp.).próbki przygotowano w worku rękawicowym oczyszczonym argonem przy użyciu około 8 do 10 mg roztworu elektrolitu odpipetowanego do aluminiowych tygli o pojemności 40 μl, które zostały uszczelnione aluminiowymi pokrywkami tygli z laserowo wyciętym otworem o średnicy 50 μm, aby umożliwić ujście gazów. Próbki zostały załadowane i zmierzone za pomocą NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® sprzężonego z QMS 403 Aëolos^® wykorzystując szybkość ogrzewania ^5oC/mini argon jako gaz przedmuchujący. Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) została przeprowadzona w celu monitorowania zmian w składzie elektrolitu. Analiza termograwimetryczna (TGA) została wykorzystana do pomiaru stabilności termicznej i temperatur rozkładu, podczas gdy analiza gazów ulatniających się (EGA) za pomocą spektrometrii masowej (MS) zidentyfikowała uwalniane produkty.

Rysunek 1: Wykresy TGA-DSC-DTG nietraktowanego EC-DEC-LiPF6

Rysunek 2: Krzywe prądu jonów MS 45, 59, 63, 75 i 91 odpowiadające DEC

Wyniki i dyskusja

Rysunek 1 przedstawia krzywe TGA (zielona), DTG (brązowa) i DSC (niebieska) nieprzetworzonej próbki elektrolitu składającej się z węglanu etylenu (EC), węglanu dietylu (DEC) i sześciofluorofosforanu litu (_LiPF6).początkową utratę masy można przypisać parowaniu węglanu dietylu, ponieważ liczby masowe związane z tym związkiem (45, 59, 63, 75 i 91) osiągają szczyt około ^150oC, jak pokazano na rysunku 2 z widmem masowym węglanu dietylu NIST library pokazanym na rysunku 3.

Kiedy elektrolit jest wystawiony na działanie atmosfery otoczenia, stabilność i skład zaczynają się zmieniać. Transformację można zobaczyć na rysunkach 4 i 5, gdzie sygnały DSC i TGA nie poddanego obróbce elektrolitu są wykreślone obok sygnałów próbek elektrolitu, które były wystawione na działanie atmosfery otoczenia przez różne okresy czasu. Analiza ewolucji gazu (rysunek 6) potwierdza radykalne zmiany w porównaniu z próbką nie poddaną obróbce, ponieważ największym wskaźnikiem była liczba masowa odnosząca się do DEC (45, 59, 63, 75 i 91) nie była już obecna w wystawionej próbce.

Rysunek 4: Porównanie krzywych TGA EC-DEC-LiPF6 z różnymi czasami ekspozycji

Rysunek 5: Porównanie krzywych DSC EC-DEC-LiPF6 z różnymi czasami ekspozycji

Rysunek 6: Porównanie sygnałów TGA i MS nieobrobionej i naświetlonej próbki elektrolitu

Wnioski

Elektrolity do akumulatorów litowo-jonowych są znanymi materiałami wrażliwymi na działanie otaczających gazów atmosferycznych. Jak pokazano, analizatory termiczne i analizatory gazów ulatniających się mogą być wykorzystane do zbadania tej właściwości materiału, która może ostatecznie zagrozić funkcjonalności i bezpieczeństwu produktu. Pełna nota aplikacyjna jest dostępna tutaj!