Inledning
Batterielektrolyter spelar en avgörande roll för energilagring och är en viktig komponent i modern batteriteknik. Dessa ämnen möjliggör jonflödet mellan elektroderna, vilket är avgörande för laddning och urladdning av batteriet. Under de senaste åren har forskningen kring batterielektrolyter gjort betydande framsteg när det gäller att förbättra batteriernas effektivitet, säkerhet och livslängd. Med tanke på den ökande betydelsen av elfordon och förnybar energi är det viktigt att förstå och utveckla elektrolyter för att skapa en hållbar energiframtid.
Risker som överhettning och 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 måste dock beaktas och undersökas. Termisk analys ger insikt i de termiska egenskaperna, t.ex. FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergång eller nedbrytning, hos dessa material.
Den allmänt använda litiumhexafluorarsenaten (LiAsF6), som representerar de många batterielektrolyterna, undersöktes för kaloriska effekter och massförändringar med hjälp av samtidig termisk analys.
Mätförhållanden
På grund av de hygroskopiska egenskaperna hos LiAsF6 förbereddes provet i handskboxen under argon för att förhindra att materialet absorberade vatten. STA-mätningen utfördes också i en argonrenad handskbox. Detaljerade mätparametrar finns i tabell 1.
Tabell 1: Mätparameter som används för undersökningen med STA 449 Jupiter®
| Parametrar | Prov LiAsF6 |
|---|---|
| Provets vikt | 12.1 mg |
| Smältdegel | Concavus® Al, genomborrat lock |
| Sensor | TGA-DSC Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp, typ S |
| Ugn | SiC |
| Temperaturprogram | RT till 600°C |
| Uppvärmningshastighet | 10 K/min |
| Gasatmosfär | Argon |
| Gasflöde | 70 ml/min |
Resultat av mätning
Resultaten från TGA-DSC visas i figur 1. Massförlustkurvan visar två steg på 1,1% och 81,7%. Det första massförluststeget kan antagligen tillskrivas frigörandet av fukt. Det andra massförluststeget beror på nedbrytningen av LiAsF6. Två endotermiska effekter med topptemperaturer på 122,8°C och 497,7°C och entalpier på 25,18 J/g och 337 J/g kan detekteras från DSC-kurvan; dessa korrelerar med massförluststegen. Dessutom kan man vid en temperatur på 265°C identifiera en reversibel solid-solid FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergång för LiAsF6 som övergår från rombohedral fas till kubisk fas1.
1Gavrichev, K.S., Sharpataya, G.A., Gorbunov, V.E. et al. Thermodynamic Properties and Decomposition of Lithium Hexafluoroarsenate, LiAsF6. Inorganic Materials 39, 175-182 (2003). https://doi.org/10.1023/A:1022102914631
Sammanfattning
Karakteriseringen av energetiska effekter och nedbrytningen av batterielektrolyten LiAsF6 genomfördes framgångsrikt med hjälp av simultan termisk analys. Tack vare möjligheten att utföra provberedningen och STA-mätningen i en handskbox kan även material som annars skulle reagera med den omgivande atmosfären - som det undersökta LiAsF6-materialet - mätas med framgång. Baserat på de erhållna uppgifterna kan man se att LiAsF6 förblir stabilt fram till solid-solid-fasomvandlingen vid cirka 265°C. Vid temperaturer över 300°C sönderdelas materialet under inerta förhållanden. Denna information ger ytterligare kunskap om potentiella faror som överhettning och 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.
Alla instrument på NETZSCH kan användas i en handskbox, vilket gör det möjligt att analysera material som är känsliga för miljöförhållanden eller har toxiska egenskaper. Genom att använda en handskbox kan sådana material bearbetas och analyseras under kontrollerade förhållanden, isolerade från den omgivande miljön. Detta gör det möjligt att få experimentella resultat som inte skulle vara möjliga utan dessa skyddsåtgärder, eftersom materialet behåller sina egenskaper samtidigt som människors säkerhet garanteras.