Введение
Сепараторы играют важнейшую роль в литий-ионных аккумуляторах, поскольку они физически разделяют анод и катод, обеспечивая прохождение ионов лития между электродами. Для изготовления сепараторов используются различные материалы и технологии, отвечающие различным требованиям безопасности, производительности и стоимости. Одной из часто используемых групп сепараторов в литий-ионных батареях являются полиолефиновые сепараторы, поскольку они химически устойчивы к электролитам, просты в производстве и относительно экономичны.
В случае конкурентных исследований характеристика и идентификация сепараторов может иметь большое значение для обеспечения качества и улучшения характеристик батареи.
Две различные сепараторные пленки были исследованы методом ТГА-ФТ-ИК для определения поведения при разложении и идентификации состава.
Измерение и обсуждение
Условия измерений подробно описаны в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерений
| Прибор | NETZSCH TG Libra® с подключением к Bruker FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Температурная программа | От RT до 850°C |
| Скорость нагрева | 10 К/мин |
| Продувочный газ | Азот, 40 мл/мин |
| Крейцкопфы | Al2O3, 85 мкл, открытые |
На рис. 1 показано сравнение кривых ТГА (образец A: зеленый; образец B: красный) двух сепараторных пленок. Оба образца были нагреты до 850°C в инертной атмосфере, что привело к полному пиролизу. В результате не удалось определить содержание пиролитического углерода или золы. Однако наблюдалось небольшое отклонение в температуре начала разложения (437°C для образца A против 447°C для образца B). Таким образом, вполне вероятно, что для изготовления этих сепараторных пленок использовались два разных материала. С помощью функции c-DTA®® можно также определить температуры плавления этих двух образцов. И снова была обнаружена значительная разница в 116°C против 168°C.
Плавление фольги сепаратора является важным элементом безопасности для батарей. В современных батареях многие сепараторы оснащены так называемой "функцией отключения". Это означает, что при перегреве сепаратор плавится или закрывает свои поры, прекращая протекание тока и тем самым защищая батарею до того, как произойдет опасный тепловой выброс.
Кривые Грамма-Шмидта показывают общую интенсивность ИК-излучения. Они хорошо согласуются с кривыми ТГА и ДТГ.
Идентификация материала сепаратора выполнена на примере образца А. Функция Identify на сайте Proteus® содержит несколько тысяч наборов данных измерений для различных методов термического анализа и различных классов материалов, которые можно сравнить с текущими данными. Здесь кривая ТГА и температура плавления, определенная по c-DTA® для образца A, сравниваются с данными библиотеки полимеров. Они показывают высокое сходство с полипропиленом (розовые кривые); см. рис. 2.
В качестве дополнительного доказательства спектры газовой фазы, полученные методом ИК-Фурье при температуре 462°C, были сравнены со спектрами из базы данных полимеров TGAFT- IR, которая содержит спектры пиролиза всех типичных полимеров. И снова было обнаружено высокое сходство с полипропиленом; см. рисунок 3.
Перед измерением ТГА-ФТ-ИК-спектра для идентификации также может быть полезен спектр АТР-ИК. Сепараторная фольга была помещена на алмазный кристалл ATR, и был снят ИК-спектр твердого материала; см. рисунок 4. Сравнение спектра с библиотекой также показало высокое сходство с полипропиленом, как показано на рисунке 5.
Резюме
Сочетание термобаллона (ТГА) и ИК-Фурье-спектрометра позволяет получить дополнительный набор измерительных данных, таких как температура плавления, поведение при разложении, зольность, содержание наполнителя и идентификация выделяющихся газов, всего лишь по одному измерению образца. В данном примере термическая стабильность и материал сепараторных пленок могут быть определены с помощью библиотеки Identify, базы данных TGA-FT-IR полимеров и спектра ATR твердого соединения с помощью всего одной приборной установки.