Термическая стабильность электролита литий-ионного аккумулятора

Одним из компонентов литий-ионной батареи, с которым обычно происходят несчастные случаи, является электролит. В следующей статье было проведено несколько экспериментов с использованием ТГА, ДСК и анализа улетучивающихся газов для изучения состава, термической стабильности и идентификации выделяющихся продуктов.

Литий-ионные аккумуляторы стали привычным предметом повседневного использования, независимо от того, знаем мы об этом или нет. Они используются в мобильных телефонах, ноутбуках, larger, электромобилях и самолетах. Мы часто слышим негативные истории о несчастных случаях, которые происходят с ними, например, о возгорании аккумуляторов. Одним из компонентов литий-ионного аккумулятора, который обычно отвечает за эти вредные эффекты, является электролит.

Экспериментальный

В следующем исследовании было проведено несколько экспериментов с использованием ТГА, ДСК и анализа уходящих газов для изучения широко используемого электролита (1,0 М _LiPF6 в EC/DEC=50/50 (v/v), приобретенного у Sigma-Aldrich) путем воздействия на него окружающей атмосферы (_N2, _O2, _H2O,_CO2 и т.д.).образцы готовились в перчаточном мешке, продуваемом аргоном, с использованием примерно 8-10 мг раствора электролита, пипетированного в 40 мкл алюминиевые тигли, которые закрывались алюминиевыми крышками тиглей с прорезанным лазером отверстием диаметром 50 мкм для выхода газов. Образцы загружались и измерялись с помощью прибора NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® соединенного с QMS 403 Aëolos^®используя скорость нагрева ^5oC/мини аргон в качестве продувочного газа. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) проводилась для мониторинга изменений в составе электролита, термогравиметрический анализ (ТГА) использовался для измерения термической стабильности и температур разложения, а анализ улетучивающихся газов (ЭГА) с помощью масс-спектрометрии (МС) определял выделяющиеся продукты.

Рисунок 1: Графики ТГА-ДСК-ДТГ необработанного EC-DEC-LiPF6

Рисунок 2: Кривые ионного тока МС 45, 59, 63, 75 и 91, соответствующие DEC

Результаты и обсуждение

На рис. 1 показаны кривые ТГА (зеленый), ДТГ (коричневый) и ДСК (синий) необработанного образца электролита, состоящего из этиленкарбоната (ЭК), диэтилкарбоната (ДЭК) и гексафторфосфата лития (_LiPF6).первоначальную потерю массы можно отнести к испарению диэтилкарбоната, поскольку массовые числа, связанные с этим соединением (45, 59, 63, 75 и 91), достигают максимума при температуре около ^150oC, как показано на рис. 2, а масс-спектр диэтилкарбоната, полученный в NIST library, показан на рис. 3.

Когда электролит подвергается воздействию окружающей атмосферы, его стабильность и состав начинают меняться. Преобразования можно увидеть на рисунках 4 и 5, где сигналы ДСК и ТГА необработанного электролита показаны рядом с сигналами образцов электролита, подвергавшихся воздействию окружающей атмосферы в течение различных периодов времени. Анализ эволюционировавшего газа (рисунок 6) подтверждает радикальные изменения по сравнению с необработанным образцом, поскольку наибольший показатель - массовые числа, относящиеся к DEC (45, 59, 63, 75 и 91), больше не присутствовали в образце, подвергшемся воздействию.

Рисунок 4: Сравнение кривых ТГА EC-DEC-LiPF6 с различным временем экспозиции

Рисунок 5: Сравнение кривых ДСК EC-DEC-LiPF6 с различным временем экспозиции

Рисунок 6: Сравнение сигналов ТГА и МС необработанного и облученного образца электролита

Заключение

Электролиты литий-ионных аккумуляторов - известные материалы, чувствительные к воздействию атмосферных газов. Как показано на рисунке, для исследования этого свойства материала, которое в конечном итоге может поставить под угрозу функциональность и безопасность изделия, можно использовать тепловые и эволюционные газоанализаторы. Полный текст заметки доступен здесь!