03.09.2025 by Aileen Sammler
Förbättrad säkerhet i litiumjonbatterier: Termisk och kinetisk analys av LiPF₆-elektrolyter med NETZSCH DSC & Kinetics Neo
Upptäck hur Differentiell skanningskalorimetri (DSC) och dess Kinetics Neo programvara från NETZSCH förbättrar säkerheten för litiumjonbatterier genom att analysera den termiska och kinetiska stabiliteten hos LiPF₆-baserade elektrolyter, förhindra 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 och optimera prestandan.
Litiumjonbatterier (LIB) driver våra smartphones, elfordon och system för lagring av förnybar energi. I takt med att den globala efterfrågan ökar snabbt har säkerhet och tillförlitlighet blivit högsta prioritet. Regelverk som EU:s batteriförordning 2023 och internationella standarder ställer nu strikta krav på termisk säkerhetstestning av batterier.
I hjärtat av varje LIB finns elektrolyten, och en av de mest använda salterna i karbonatlösningsmedel är LiPF₆. Även om LiPF₆ har en utmärkt ledningsförmåga ( Ionic ) och är kompatibel med grafitanoder, är den termiskt och kemiskt instabil. Denna instabilitet kan utlösa termisk flykt, ett stort säkerhetsproblem inom elektrisk mobilitet och stationär lagring.
För att ta itu med dessa utmaningar förlitar sig forskare och tillverkare på avancerad materialkarakterisering. I den här nya applikationsnoten användes en NETZSCH DSC i kombination med programvaran Kinetics Neo för att analysera den termiska stabiliteten och nedbrytningskinetiken hos LiPF₆-baserade elektrolyter.
Viktiga resultat från studien
Termiska händelser identifierade med DSC
En NETZSCH DSC användes för att analysera LiPF₆ i ett blandat karbonatlösningsmedelssystem (EMC+DMC+EC, 1:1:1). Följande termiska effekter detekterades över 190°C:
- Endotermisk topp (≈230°C) → nedbrytning av LiPF₆ och lösningsmedelsspecifika interaktioner
- ExotermEn provövergång eller en reaktion är exoterm om värme genereras.Exoterm topp (≈250°C) → interaktion mellan LiPF₆ och EC, ringklyvningsreaktioner
- Bred ExotermEn provövergång eller en reaktion är exoterm om värme genereras.exoterm topp (≈290°C) → polymerisationsreaktioner, PEO-liknande produkter, CO₂-frigörelse
Kinetisk analys med Kinetics Neo Software
- Kinetisk utvärdering bekräftade en trestegs reaktionsmodell med aktiveringsenergier på 146,3, 137,2 och 118,6 kJ/mol.
- Korrelationen mellan uppmätta och beräknade data nådde R² = 0,997, vilket tyder på en utmärkt överensstämmelse mellan experimentella och simulerade data
Förutsägelser för verkliga scenarier
- Isotermisk prediktion: Nedbrytningen startade efter ≈1 dag vid 150°C, efter ≈9 dagar vid 130°C och efter ≈24 dagar vid 120°C.
- AdiabatiskAdiabatiskt beskriver ett system eller mätläge utan någon värmeväxling med omgivningen. Detta läge kan realiseras med hjälp av en kalorimeteranordning enligt metoden för accelererande hastighetskalorimetri (ARC). Huvudsyftet med en sådan anordning är att studera scenarier och termiska flyktreaktioner. En kort beskrivning av det adiabatiska läget är "ingen värme in - ingen värme ut".Adiabatisk förutsägelse: Under adiabatiska förhållanden inträffade termisk utbrytning efter ≈5 dagar vid 150°C.
Varför det är viktigt för dagens batteriindustri
- Batterisäkerhet är en kritisk utmaning för elbilar och nätlagring.
- Regelefterlevnad kräver djupgående analys av elektrolyternas termiska stabilitet.
- Materialutvecklare kan optimera formuleringarna för att minimera riskerna och förlänga batteriets livslängd.
Genom att kombineraDSC(Differential Scanning Calorimetry) och Kinetics Neoger NETZSCH en kraftfull verktygslåda för att förutsäga elektrolytens beteende under verkliga drifts- och missbruksförhållanden.
Fördelar med NETZSCH DSC för batteriforskning
Analysinstrumentet NETZSCH DSC 300 Caliris® har en exceptionell känslighet och flexibilitet, vilket gör det till det perfekta verktyget för analys av batterielektrolyter och material.
När det gäller säkerheten för litiumjonbatterier gör DSC det möjligt för forskare att exakt bestämma FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar, nedbrytningstemperaturer och värmeflödeshändelser som är avgörande för att identifiera början på 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. Med sin modulära design och sina högtrycksdeglar ger DSC Caliris® tillförlitliga resultat, även för flyktiga elektrolytsystem.
Fördelarna med Kinetics Neo för säkerhetsanalys av batterier
ProgramvaranKinetics Neo utökar DSC-mätningarna genom att möjliggöra prediktiva simuleringar under verkliga förhållanden. För batteriutvecklare innebär detta att data från en uppsättning av tre DSC-uppvärmningsexperiment kan användas för att modellera IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermisk lagringsstabilitet, adiabatiska förhållanden och olika temperaturprofiler.
Detta möjliggör exakta förutsägelser av elektrolytens beteende under drift, transport eller missbruksscenarier - vilket stöder utformningen av säkrare batterisystem med längre livslängd.
Slutsats
Kombinationen av NETZSCH DSC och Kinetics Neo software ger viktiga insikter om den termiska och kinetiska stabiliteten hos LiPF₆-baserade elektrolyter. Dessa resultat ger direkt stöd till batteriutvecklare för att förhindra termisk flykt, säkerställa efterlevnad av säkerhetsstandarder och driva övergången till säkra och hållbara system för e-mobilitet och energilagring.
? Läs hela Application Note här:
Läs mer om NETZSCH DSC-instrument och Kinetics Neo programvara
