Stabilitatea termică a electrolitului bateriei litiu-ion

Una dintre componentele găsite într-o baterie litiu-ion care este de obicei responsabilă pentru accidente este electrolitul. În articolul următor, au fost efectuate mai multe experimente prin TGA, DSC și analiza gazelor evoluate pentru a investiga compoziția, stabilitatea termică și Identify produsele eliberate.

Bateriile litiu-ion sunt acum un element de uz cotidian, indiferent dacă suntem conștienți de ele sau nu. Ele pot fi găsite la alimentarea telefoanelor noastre celulare (telefoane mobile), a computerelor portabile sau a unor elemente mai mari, cum ar fi vehiculele electrice și avioanele. Auzim adesea povești negative despre accidentele care au loc cu ele, cum ar fi bateriile care iau foc. Una dintre componentele găsite într-o baterie litiu-ion care este de obicei responsabilă pentru aceste efecte dăunătoare este electrolitul.

Experimental

În studiul următor, au fost efectuate mai multe experimente prin TGA, DSC și analiza gazelor evoluate pentru a investiga un electrolit utilizat în mod obișnuit (1,0 M _LiPF6 în EC/DEC = 50/50 (v/v) achiziționat de la Sigma-Aldrich) prin expunerea acestuia la atmosfera ambientală (_N2,_O2,_H2O,_CO2 etc.).probele au fost pregătite într-o pungă de mănuși purjată cu argon utilizând aproximativ 8-10 mg de soluție electrolitică pipetată în creuzete de aluminiu de 40 μl care au fost sigilate cu capace de creuzete de aluminiu care aveau o gaură de 50 μm tăiată cu laser pentru a permite evacuarea gazelor. Probele au fost încărcate și măsurate cu NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® cuplat la un QMS 403 Aëolos^®utilizând o rată de încălzire de ^5oC/minși argon ca gaz de purjare. Calorimetria cu scanare diferențială (DSC) a fost efectuată pentru a monitoriza modificările în compoziția electrolitului. Analiza termogravimetrică (TGA) a fost utilizată pentru a măsura stabilitatea termică și temperaturile de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere, în timp ce analiza gazelor dezvoltate (EGA) prin spectrometrie de masă (MS) a identificat produsele eliberate.

Curbele TGA-DSC-DTG ale EC-DEC-LiPF6 netratate demonstrează comportamentul termic și pierderea de masă la temperaturi critice. — Figura 1: Graficele TGA-DSC-DTG ale EC-DEC-LiPF6 netratate

Curbele de curent ionic MS prezintă date pentru carbonatul de dietil (DEC) la numerele de masă 45, 59, 63, 75 și 91, indicând analiza stabilității termice. — Figura 2: Curbele curentului `Ionic` MS 45, 59, 63, 75 și 91 corespunzătoare DEC

Analiza spectrului de masă al carbonatului de dietil (DEC), evidențiind vârfurile ionice cheie pentru identificarea precisă și evaluarea stabilității. — Figura 3: Spectrul de masă al DEC

Rezultate și discuții

Figura 1 prezintă curbele TGA (verde), DTG (maro) și DSC (albastru) ale unui eșantion de electrolit netratat, format din carbonat de etilenă (EC), carbonat de dietil (DEC) și hexafluorofosfat de litiu (_LiPF6).pierderea inițială de masă poate fi atribuită evaporării carbonatului de dietil, deoarece numerele de masă asociate cu acest compus (45, 59, 63, 75 și 91) ating valori maxime în jurul a ^150oC, după cum se observă în figura 2, cu spectrul de masă al carbonatului de dietil din biblioteca NIST prezentat în figura 3.

Atunci când acest electrolit este expus la atmosfera ambiantă, stabilitatea și compoziția încep să se schimbe. Transformarea poate fi observată în figurile 4 și 5, unde semnalele DSC și TGA ale electrolitului netratat sunt reprezentate grafic alături de semnalele probelor de electrolit care au fost expuse la atmosfera ambiantă pentru diferite durate. Analiza gazelor în evoluție (figura 6) confirmă schimbările radicale în comparație cu proba netratată, cel mai mare indicator fiind că numerele de masă corespunzătoare DEC (45, 59, 63, 75 și 91) nu mai erau prezente în proba expusă.

Baloți comprimați de cutii de carton pentru băuturi alături de graficele de analiză termică, prezentând amestecuri de polimeri în testele de reciclare. — Figura 4: Comparație a curbelor TGA ale EC-DEC-LiPF6 cu diferite timpi de expunere

Comparație a curbei DSC a electrolitului EC-DEC-LiPF6 în diferite perioade de expunere, evidențiind stabilitatea termică. — Figura 5: Compararea curbelor DSC ale EC-DEC-LiPF6 cu diferite timpi de expunere

Comparație între semnalele TGA și MS pentru probe de electrolit pentru baterii litiu-ion netratate și expuse, evidențiind modificările de stabilitate. — Figura 6: Compararea semnalelor TGA și MS ale unei probe de electrolit netratate și expuse

Concluzie

Electroliții bateriilor litiu-ion sunt materiale cunoscute care sunt sensibile la expunerea la gazele atmosferice ambientale. După cum se arată, analizoarele de gaze termice și evoluate pot fi utilizate pentru a investiga această proprietate a materialului care ar putea compromite în cele din urmă funcționalitatea și siguranța produsului. Nota de aplicație completă este disponibilă aici!