Termisk stabilitet hos elektrolyten i litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier är nu ett vanligt dagligt bruksföremål oavsett om vi är medvetna om det eller inte. De finns i våra mobiltelefoner, bärbara datorer och större föremål som elfordon och flygplan. Vi hör ofta negativa historier om missöden som inträffar med dem, till exempel att batterier fattar eld. En av de komponenter som finns i ett litiumjonbatteri och som vanligtvis är ansvarig för dessa skadliga effekter är elektrolyten.

Experimentell

I följande studie genomfördes flera experiment via TGA, DSC och analys av utvecklad gas för att undersöka en vanligt förekommande elektrolyt (1,0 M _LiPF6 i EC/DEC = 50/50 (v/v) från Sigma-Aldrich) genom att utsätta den för exponering för den omgivande atmosfären (_N2,_O2,_H2O,_CO2, etc.).proverna bereddes i en handskväska som spolades med argon med hjälp av ca 8-10 mg elektrolytlösning som pipetterades i 40 μl aluminiumdeglar som förseglades med aluminiumdegellock som hade ett laserskuret 50 μm hål för att tillåta gaser att ventileras. Proverna laddades och mättes med NETZSCH STA 449 F1 Jupiter^® kopplad till en QMS 403 Aëolos^®med en uppvärmningshastighet på ^5oC/minoch argon som spolningsgas. Differentiell svepkalorimetri (DSC) utfördes för att övervaka förändringar i elektrolytens sammansättning. Termogravimetrisk analys (TGA) användes för att mäta Termisk stabilitetEtt material är termiskt stabilt om det inte sönderdelas under påverkan av temperatur. Ett sätt att bestämma den termiska stabiliteten hos ett ämne är att använda en TGA (termogravimetrisk analysator). termisk stabilitet och nedbrytningstemperaturer, medan analys av utvecklad gas (EGA) via masspektrometri (MS) identifierade de frigjorda produkterna.

TGA-DSC-DTG-kurvor för obehandlad EC-DEC-LiPF6 visar termiskt beteende och massförlust vid kritiska temperaturer. — Figur 1: TGA-DSC-DTG-diagram för obehandlad EC-DEC-LiPF6

MS jonströmskurvor visar data för dietylkarbonat (DEC) vid massnummer 45, 59, 63, 75 och 91, vilket indikerar analys av termisk stabilitet. — Figur 2: MS-jonströmskurvor 45, 59, 63, 75 och 91 motsvarande DEC

Masspektrumanalys av dietylkarbonat (DEC), med framhävande av viktiga jontoppar för korrekt identifiering och stabilitetsbedömning. — Figur 3: Masspektrum för DEC

Resultat och diskussion

Figur 1 visar kurvorna för TGA (grön), DTG (brun) och DSC (blå) för ett obehandlat elektrolytprov bestående av etylenkarbonat (EC), dietylkarbonat (DEC) och litiumhexafluorofosfat (_LiPF6).den inledande massförlusten kan hänföras till avdunstningen av dietylkarbonat, eftersom masstalen som associeras med denna förening (45, 59, 63, 75 och 91) visar sig vara högst runt ^150oC, vilket framgår av figur 2, och massspektrumet för dietylkarbonat från NIST-biblioteket visas i figur 3.

När denna elektrolyt exponeras för omgivande atmosfär börjar stabiliteten och sammansättningen att förändras. Förändringen kan ses i figur 4 och 5 där DSC- och TGA-signalerna från den obehandlade elektrolyten plottas tillsammans med signalerna från elektrolytprover som exponerats för omgivande atmosfär under olika lång tid. Analys av utvecklad gas (figur 6) bekräftar radikala förändringar jämfört med det obehandlade provet, där den största indikatorn var att massantal som hörde till DEC (45, 59, 63, 75 och 91) inte längre fanns i det exponerade provet.

Komprimerade balar av dryckeskartonger bredvid grafer för termisk analys, som visar polymerblandningar i återvinningstest. — Figur 4: Jämförelse av TGA-kurvor för EC-DEC-LiPF6 med olika exponeringstider

Jämförelse av DSC-kurvor för EC-DEC-LiPF6-elektrolyt under olika exponeringstider, vilket belyser termisk stabilitet. — Figur 5: Jämförelse av DSC-kurvorna för EC-DEC-LiPF6 med olika exponeringstider

Jämförelse av TGA- och MS-signaler för obehandlade och exponerade elektrolytprover från litiumjonbatterier, vilket belyser stabilitetsförändringar. — Figur 6: Jämförelse av TGA- och MS-signalerna för ett obehandlat och exponerat elektrolytprov

Slutsats

Elektrolyter i litiumjonbatterier är kända material som är känsliga för exponering för atmosfäriska gaser. Som visas kan termiska och utvecklade gasanalysatorer användas för att undersöka denna materialegenskap som i slutändan kan äventyra produktens funktionalitet och säkerhet. Den fullständiga applikationsnoten finns tillgänglig här!