Inledning
Separatorer spelar en avgörande roll i litiumjonbatterier eftersom de fysiskt separerar anoden och katoden samtidigt som de tillåter passage av litiumjoner mellan elektroderna. Olika material och tekniker används för separatorer för att uppfylla olika krav på säkerhet, prestanda och kostnad. En vanligt förekommande grupp av separatorer i litiumjonbatterier är polyolefinseparatorer, eftersom de är kemiskt resistenta mot elektrolyter, lätta att tillverka och relativt kostnadseffektiva.
När det gäller konkurrensutsatta studier kan karakterisering och identifiering av separatorer vara avgörande för att säkerställa kvaliteten och förbättra batteriets prestanda.
Två olika separatorfolier undersöktes med TGA-FT-IR-tekniken för att bestämma nedbrytningsbeteendet och för att Identify sammansättningen.
Värdering och diskussion
Mätförhållandena beskrivs närmare i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Mätinstrument | NETZSCH TG Libra® kopplad till Bruker FT-IR INVENIO |
|---|---|
| Temperaturprogram | RT till 850°C |
| Uppvärmningshastighet | 10 K/min |
| Spolningsgas | Kväve, 40 ml/min |
| Smältdeglar | Al2O3, 85 μl, öppen |
Figur 1 visar en jämförelse av TGA-kurvorna (prov A: grönt; prov B: rött) för två separatorfolier. Båda proverna upphettades till 850°C under en inert atmosfär, vilket resulterade i fullständig PyrolysPyrolys är den termiska nedbrytningen av organiska föreningar i en inert atmosfär.pyrolys. Därför kunde inget Pyrolytiskt kolPyrolytiskt kol är kol som bildas genom pyrolys av organiskt material i en syrefri atmosfär. pyrolytiskt kol- eller askinnehåll identifieras. En liten avvikelse i temperatur för nedbrytningens början (437°C för prov A jämfört med 447°C för prov B) observerades dock. Det är därför troligt att två olika material har använts för dessa separatorfolier. Med hjälp av funktionen c-DTA® kunde smältpunkterna för dessa två prover också bestämmas. Återigen upptäcktes en signifikant skillnad på 116°C jämfört med 168°C.
Smältningen av en separatorfolie är en viktig säkerhetsfunktion för batterier. I moderna batterier har många separatorer en så kallad "shutdown-funktion". Det innebär att separatorn smälter eller stänger sina porer vid överhettning, vilket stoppar strömflödet och därmed skyddar batteriet innan farlig Termisk rusningEn termisk flykt är en situation där en kemisk reaktor är utom kontroll med avseende på temperatur- och/eller tryckutveckling som orsakas av själva den kemiska reaktionen. Simulering av en termisk rusning utförs vanligtvis med hjälp av en kalorimeteranordning enligt accelerated rate calorimetry (ARC).termisk rusning inträffar.
Gram Schmidt-kurvorna visar de totala IR-intensiteterna. De har god korrelation med TGA- och DTG-kurvorna.
Identifieringen av separatormaterialet utförs exemplariskt för prov A. Funktionen Identify på Proteus® innehåller flera tusen uppmätta dataset för olika termiska analysmetoder och olika materialklasser som kan jämföras med aktuella data. Här jämförs TGA-kurvan och smältpunkten som bestämts med c-DTA för prov A med data från polymerbiblioteket. De visar stor likhet med polypropylen (rosa kurvor); se figur 2.
Som ytterligare bevis jämfördes de gasfasspektra som detekterats med FT-IR vid 462°C med dem i TGAFT-IR-databasen för polymerer, som innehåller pyrolysspektra för alla typiska polymerer. Återigen fann man en stor likhet med polypropylen, se figur 3.
Före en TGA-FT-IR-mätning kan ett ATR-IR-spektrum också vara till hjälp för identifiering. Separatorfolien placerades på ATR-diamantkristallen och ett IR-spektrum togs av det fasta materialet, se figur 4. Jämförelse av spektrumet med biblioteket gav också stor likhet med polypropylen, vilket visas i figur 5.
Sammanfattning
Kombinationen av en termobalans (TGA) och ett FT-IR-system ger en kompletterande uppsättning mätdata - t.ex. Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältpunkt, nedbrytningsbeteende, Innehåll av askaAskan är ett mått på mineraloxidinnehållet på viktbasis. Termogravimetrisk analys (TGA) i en oxidativ atmosfär är en väl beprövad metod för att bestämma den oorganiska återstoden, vanligen kallad aska, i organiska material som polymerer, gummi etc. Därför kommer TGA-mätningen att Identify om ett material är fyllt och beräknar den totala fyllnadshalten.askhalt, fyllmedelshalt och identifiering av de gaser som frigörs - från bara en provmätning. I det här exemplet kunde den termiska stabiliteten och materialet i separatorfolier identifieras med hjälp av biblioteket Identify, TGA-FT-IR-databasen för polymerer och ATR-spektrumet för den fasta föreningen med endast en instrumentuppsättning.