Introdução
Os separadores de bateria são componentes essenciais nos sistemas de armazenamento de energia eletroquímica, fornecendo Ionic condutividade e evitando o contato elétrico entre os eletrodos. Sua estrutura e estabilidade influenciam diretamente o desempenho, a durabilidade e a segurança das baterias.
Entre os vários projetos de separadores, os separadores compostos de cerâmica e polímero e os separadores à base de papel têm recebido cada vez mais atenção para aplicações avançadas. Nos compostos de cerâmica e polímero, as partículas inorgânicas, como alumina, sílica ou zircônia, são incorporadas a uma matriz de polímero. Essa estrutura híbrida aumenta a resistência mecânica, a molhabilidade do eletrólito e, o mais importante, a Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica. A fase cerâmica atua como uma espinha dorsal resistente ao calor que mantém a integridade dimensional sob temperaturas elevadas, reduzindo o risco de encolhimento ou colapso dos poros que, de outra forma, poderiam causar curtos-circuitos internos. O caminho dos elétrons também é irreversivelmente desconectado a essas temperaturas, que estão bem antes do ponto em que pode ocorrer o descontrole térmico.
Os separadores à base de papel, geralmente feitos de celulose ou fibras sintéticas, constituem outra classe promissora de materiais. Sua rede fibrosa proporciona excelente absorção de eletrólitos e vias uniformes de transporte de íons. Além disso, esses separadores são leves, sustentáveis e podem ser adaptados em termos de porosidade e espessura. No entanto, sua robustez térmica e química depende muito da composição da fibra e de possíveis modificações ou revestimentos de superfície projetados para suportar ambientes de alta temperatura.
A Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica de ambos os tipos de separadores é fundamental para a operação segura da bateria. Em condições de superaquecimento ou abuso, os separadores devem manter sua forma e integridade mecânica para evitar o contato com o eletrodo. Portanto, compreender as alterações dimensionais e o comportamento de amolecimento em temperaturas elevadas é essencial para avaliar as margens de segurança.
A análise termomecânica (TMA) é uma ferramenta valiosa para essa finalidade. Ao medir a expansão térmica, o encolhimento ou a deformação de amostras de separadores em função da temperatura, a TMA fornece informações sobre sua resposta térmica e transições estruturais. Essas medições ajudam a comparar diferentes formulações de separadores, orientam melhorias no material e garantem um desempenho confiável sob condições térmicas exigentes.
A termogravimetria (TGA) fornece informações importantes sobre a Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica e o comportamento de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição dos separadores de bateria. A compreensão desses processos ajuda a Identify formulações de separadores que resistem à degradação e mantêm sua integridade estrutural em temperaturas elevadas. Portanto, os dados de TGA dão suporte a um projeto de separador mais seguro e ajudam a estabelecer limites operacionais para um desempenho confiável da bateria.
Condições de medição
As condições de medição da TGA estão detalhadas na tabela 1 e as condições de medição da TMA estão resumidas na tabela 2.
Tabela 1: Condições de medição de TGA
| Instrumento | STA Jupiter® series |
|---|---|
| Forno | SiC |
| Suporte de amostras | Pino TGA, tipo S |
| Cadinho | 300 μl, cadinho de Al2O3, aberto |
| Massa da amostra | 20.26 mg (separador de papel) 14.60 mg (separador composto) |
| Fluxo de gás | 100 ml/min |
| Atmosfera de gás | Inerte/5% de oxigênio |
| Programa de temperatura | RT - 600°C, 10 K/min |
Tabela 2: Condições de medição da TMA
| Instrumento | TMA Hyperion® series |
|---|---|
| Forno | Aço |
| Suporte de amostra | SiO2, EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão |
| Comprimento da amostra | ~ 10 mm |
| Força | 1 mN |
| Fluxo de gás | 50 ml/min |
| Atmosfera de gás | Nitrogênio |
| Programa de temperatura | RT - 400°C, 5 K/min |
Resultados de medição e discussão
A Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica de diferentes tipos de separadores foi investigada por experimentos de TGA em diferentes condições. A Figura 1 mostra a comparação das curvas de TGA de um separador composto feito de cerâmica revestida de polímero e um separador de papel sob condições inertes. O separador de papel mostra uma etapa de perda de massa de 2,1% na faixa de temperatura de até 150°C, que pode estar relacionada ao teor de umidade. Ambos os separadores começam a se decompor acima de 220°C. No caso do separador de papel, 78% da massa inicial foi perdida devido à PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise. Apenas o Carbono pirolíticoO carbono pirolítico é o carbono gerado pela pirólise de matéria orgânica em uma atmosfera livre de oxigênio. carbono pirolítico permaneceu. No caso do separador composto, apenas o conteúdo de polímero foi pirolisado (perda de massa de cerca de 18%), enquanto a parte cerâmica e o Carbono pirolíticoO carbono pirolítico é o carbono gerado pela pirólise de matéria orgânica em uma atmosfera livre de oxigênio. carbono pirolítico produzido persistiram.
Na presença de um teor mínimo de oxigênio (por exemplo, liberado pela Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição do material do cátodo), a tendência da TGA é significativamente diferente do comportamento sob uma atmosfera inerte. Com 5% de oxigênio, a combustão do carbono residual se sobrepõe à Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição pirolítica do conteúdo orgânico; veja a Figura 2.
A Figura 3 mostra os mesmos dados de TGA dos dois separadores em uma atmosfera contendo oxigênio, juntamente com os traços de H2O(m/z 18) eCO2 (m/z 44) registrados pelo espectrômetro de massa. A análise do gás evoluído comprova a liberação de água durante a primeira etapa de perda de massa do separador de papel e a liberação simultânea de água e dióxido de carbono durante a etapa principal de perda de massa.
A estabilidade mecânica de diferentes tipos de separadores foi investigada por meio de experimentos de TMA. A Figura 4 mostra a comparação da expansão térmica do separador de papel (vermelho) e do separador composto (azul). As medições foram realizadas em uma atmosfera inerte. O separador composto permanece mecanicamente estável durante toda a medição. Apenas um leve encolhimento foi detectado no final da medição, a 400°C. Em contraste, com o separador de papel, uma diminuição no comprimento é observada logo no início da medição.
Isso se deve à secagem do material. Em temperaturas mais altas, inicia-se a PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise das partes orgânicas dos dois separadores, levando a uma perda de estabilidade mecânica para o separador de papel a 333°C (início extrapolado). A perda de massa devido à PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise e a perda de estabilidade mecânica ocorrem em uma faixa de temperatura semelhante, como pode ser visto na Figura 5, que mostra uma comparação das curvas TGA e TMA do separador de papel.
Resumo
As medições de TGA-MS e TMA fornecem um meio confiável de prever o comportamento dos separadores durante eventos térmicos em baterias de íons de lítio, como os causados por uso indevido (por exemplo, carga/descarga rápida; curtos-circuitos) ou falha técnica. Neste estudo, o separador de polímero revestido de cerâmica apresentou Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica e estrutural significativamente maior do que o separador de papel, mantendo sua integridade até 400°C, enquanto o separador de papel perdeu sua estabilidade mecânica já em temperaturas mais baixas.
Além disso, as análises de TGA-MS e TMA são valiosas para a caracterização de materiais puros para Identify quaisquer etapas de pré-tratamento necessárias. No caso do separador de papel, o encolhimento inicial e a perda de massa devido à liberação de umidade foram observados no início da medição. Assim, essas técnicas analíticas fornecem percepções essenciais para a seleção e otimização de materiais separadores, contribuindo para a segurança e a confiabilidade gerais das baterias de íon-lítio.