03.09.2025 by Aileen Sammler
Poprawa bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych: Analiza termiczna i kinetyczna elektrolitów LiPF₆ za pomocą NETZSCH DSC & Kinetics Neo
Dowiedz się, jak Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) i Kinetics Neo oprogramowanieNETZSCH poprawiają bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych poprzez analizę stabilności termicznej i kinetycznej elektrolitów na bazie LiPF₆ oraz zapobiegają niekontrolowanemu wzrostowi temperatury i optymalizują wydajność.
Baterie litowo-jonowe (LIB) zasilają nasze smartfony, pojazdy elektryczne i systemy magazynowania energii odnawialnej. Wraz z gwałtownym wzrostem globalnego popytu, bezpieczeństwo i niezawodność stały się najważniejszymi priorytetami. Ramy regulacyjne, takie jak rozporządzenie UE w sprawie baterii 2023 i międzynarodowe normy, nakładają obecnie surowe wymagania dotyczące testów bezpieczeństwa termicznego baterii.
Sercem każdego akumulatora LIB jest elektrolit, a jedną z najczęściej stosowanych soli w rozpuszczalnikach węglanowych jest LiPF₆. Chociaż LiPF₆ charakteryzuje się doskonałą przewodnością Ionic i kompatybilnością z anodami grafitowymi, jest niestabilny termicznie i chemicznie. Niestabilność ta może powodować niekontrolowany wzrost temperatury, co stanowi poważny problem w zakresie bezpieczeństwa mobilności elektrycznej i stacjonarnego magazynowania energii.
Aby sprostać tym wyzwaniom, naukowcy i producenci polegają na zaawansowanej charakterystyce materiałów. W nowej nocie aplikacyjnej NETZSCH DSC w połączeniu z oprogramowaniem Kinetics Neo zostało wykorzystane do analizy stabilności termicznej i kinetyki rozkładu elektrolitów na bazie LiPF₆.
Kluczowe wyniki badania
Zdarzenia termiczne zidentyfikowane za pomocą DSC
Do analizy LiPF₆ w mieszanym układzie rozpuszczalników węglanowych (EMC+DMC+EC, 1:1:1) wykorzystano DSC NETZSCH. Powyżej 190°C wykryto następujące efekty termiczne:
- Pik EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny (≈230°C) → Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład LiPF₆ i oddziaływania specyficzne dla rozpuszczalnika
- Pik EgzotermicznyPrzejście próbki lub reakcja jest egzotermiczna, jeśli generowane jest ciepło.egzotermiczny (≈250°C) → oddziaływanie LiPF₆ z EC, reakcje rozszczepienia pierścienia
- Szeroki pik EgzotermicznyPrzejście próbki lub reakcja jest egzotermiczna, jeśli generowane jest ciepło.egzotermiczny (≈290°C) → reakcje polimeryzacji, produkty podobne do PEO, uwalnianie CO₂
Analiza kinetyczna za pomocą oprogramowania Kinetics Neo
- Ocena kinetyczna potwierdziła trzyetapowy model reakcji z energiami aktywacji 146,3, 137,2 i 118,6 kJ/mol.
- Korelacja między zmierzonymi i obliczonymi danymi osiągnęła R² = 0,997, wskazując na doskonałą zgodność między danymi eksperymentalnymi i symulowanymi
Przewidywania dla rzeczywistych scenariuszy
- Przewidywanie izotermiczne: Rozkład rozpoczął się po ≈1 dniu w temperaturze 150°C, po ≈9 dniach w temperaturze 130°C i po ≈24 dniach w temperaturze 120°C.
- Przewidywanie adiabatyczne: W warunkach adiabatycznych Rozbieg termicznyUcieczka termiczna to sytuacja, w której reaktor chemiczny wymyka się spod kontroli w odniesieniu do wytwarzania temperatury i/lub ciśnienia spowodowanego samą reakcją chemiczną. Symulacja ucieczki termicznej jest zwykle przeprowadzana przy użyciu urządzenia kalorymetrycznego zgodnie z kalorymetrią przyspieszoną (ARC).ucieczka termiczna nastąpiła po ≈5 dniach w temperaturze 150°C.
Dlaczego ma to znaczenie dla dzisiejszej branży akumulatorów?
- Bezpieczeństwo akumulatorów jest krytycznym wyzwaniem dla pojazdów elektrycznych i sieci magazynowania energii.
- Zgodność z przepisami wymaga dogłębnej analizy stabilności termicznej elektrolitów.
- Twórcy materiałów mogą zoptymalizować formuły, aby zminimalizować ryzyko i wydłużyć żywotność baterii.
Łącząc różnicową kalorymetrię skaningową(DSC) i kalorymetrię termiczną(DSC), zapewnia potężny zestaw narzędzi Kinetics Neo, NETZSCH zapewnia potężny zestaw narzędzi do przewidywania zachowania elektrolitu w rzeczywistych warunkach pracy i nadużywania.
Korzyści z zastosowania NETZSCH DSC w badaniach nad akumulatorami
Urządzenie analityczne NETZSCH DSC 300 Caliris® charakteryzuje się wyjątkową czułością i elastycznością, dzięki czemu jest idealnym narzędziem do analizy elektrolitów i materiałów akumulatorowych.
W kontekście bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych, DSC umożliwia badaczom precyzyjne określenie przejść fazowych, temperatur rozkładu i zdarzeń przepływu ciepła, które są krytyczne dla identyfikacji początku niekontrolowanego wzrostu temperatury. Dzięki modułowej konstrukcji i tyglom wysokociśnieniowym, DSC Caliris® pozwala na uzyskanie wiarygodnych wyników, nawet w przypadku układów z lotnymi elektrolitami.
Korzyści z Kinetics Neo w analizie bezpieczeństwa baterii
OprogramowanieKinetics Neo rozszerza pomiary DSC, umożliwiając symulacje predykcyjne w rzeczywistych warunkach. Dla twórców akumulatorów oznacza to, że dane z zestawu trzech eksperymentów ogrzewania DSC mogą być wykorzystane do modelowania stabilności przechowywania izotermicznego, warunków adiabatycznych i różnych profili temperaturowych.
Pozwala to na dokładne przewidywanie zachowania elektrolitu podczas pracy, transportu lub scenariuszy nadużywania - wspierając projektowanie bezpieczniejszych i trwalszych systemów akumulatorowych.
Wnioski
Połączenie oprogramowania NETZSCH DSC i Kinetics Neo zapewnia istotny wgląd w stabilność termiczną i kinetyczną elektrolitów na bazie LiPF₆. Wyniki te bezpośrednio wspierają twórców akumulatorów w zapobieganiu niekontrolowanemu wzrostowi temperatury, zapewnianiu zgodności z normami bezpieczeństwa i napędzaniu przejścia na bezpieczną i zrównoważoną e-mobilność oraz systemy magazynowania energii.
przeczytaj pełną notę aplikacyjną tutaj:
Dowiedz się więcej o NETZSCH DSC Instruments i Kinetics Neo Software
