Giriş
Batarya separatörleri elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinde anahtar bileşenlerdir ve elektrotlar arasında elektriksel teması önlerken Ionic iletkenlik sağlarlar. Yapıları ve kararlılıkları bataryaların performansını, dayanıklılığını ve güvenliğini doğrudan etkiler.
Çeşitli separatör tasarımları arasında, seramik-polimer kompozit separatörler ve kağıt bazlı separatörler gelişmiş uygulamalar için artan bir ilgi görmüştür. Seramik-polimer kompozitlerde alümina, silika veya zirkonya gibi inorganik partiküller bir polimer matris içine gömülür. Bu hibrit yapı mekanik mukavemeti, elektrolit ıslanabilirliğini ve en önemlisi termal stabiliteyi artırır. Seramik faz, yüksek sıcaklıklar altında boyutsal bütünlüğü koruyan ısıya dayanıklı bir omurga görevi görür ve aksi takdirde dahili kısa devrelere neden olabilecek büzülme veya gözenek çökmesi riskini azaltır. Elektron yolu da bu sıcaklıklarda geri döndürülemez bir şekilde kesilir ve bu da termal kaçakların meydana gelebileceği noktanın çok ilerisindedir.
Tipik olarak selüloz veya sentetik liflerden yapılan kağıt bazlı ayırıcılar, umut vaat eden bir başka malzeme sınıfını oluşturmaktadır. Lifli ağları mükemmel elektrolit emilimi ve düzgün iyon taşıma yolları sağlar. Ayrıca, bu ayırıcılar hafif ve sürdürülebilirdir ve gözeneklilik ve kalınlık açısından uyarlanabilir. Bununla birlikte, termal ve kimyasal sağlamlıkları büyük ölçüde elyaf bileşimine ve yüksek sıcaklıklı ortamlara dayanacak şekilde tasarlanmış olası yüzey modifikasyonlarına veya kaplamalara bağlıdır.
Her iki separatör tipinin termal kararlılığı, güvenli akü çalışması için kritik öneme sahiptir. Aşırı ısınma veya kötü koşullar altında, ayırıcılar elektrot temasını önlemek için şekillerini ve mekanik bütünlüklerini korumalıdır. Bu nedenle, yüksek sıcaklıklarda boyutsal değişiklikleri ve yumuşama davranışını anlamak, güvenlik marjlarını değerlendirmek için çok önemlidir.
Termomekanik analiz (TMA) bu amaç için değerli bir araçtır. TMA, separatör numunelerinin termal genleşmesini, büzülmesini veya deformasyonunu sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ölçerek, termal tepkileri ve yapısal geçişleri hakkında fikir verir. Bu tür ölçümler farklı separatör formülasyonlarının karşılaştırılmasına yardımcı olur, malzeme iyileştirmelerine rehberlik eder ve zorlu termal koşullar altında güvenilir performans sağlar.
Termogravimetri (TGA), akü separatörlerinin termal kararlılığı ve Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma davranışı hakkında önemli bilgiler sağlar. Bu süreçlerin anlaşılması Identify yüksek sıcaklıklarda bozunmaya direnen ve yapısal bütünlüğünü koruyan separatör formülasyonlarına yardımcı olur. Bu nedenle TGA verileri daha güvenli separatör tasarımını destekler ve güvenilir akü performansı için çalışma sınırlarının belirlenmesine yardımcı olur.
Ölçüm Koşulları
TGA ölçüm koşulları tablo 1'de detaylandırılmış ve TMA ölçüm koşulları tablo 2'de özetlenmiştir.
Tablo 1: TGA ölçüm koşulları
| Enstrüman | STA Jupiter® serisi |
|---|---|
| Fırın | SiC |
| Örnek taşıyıcı | TGA pimi, S tipi |
| Pota | 300 μl, Al2O3 kroze, açık |
| Örnek kütle | 20.26 mg (kağıt ayırıcı) 14.60 mg (kompozit ayırıcı) |
| Gaz akışı | 100 ml/dak |
| Gaz atmosferi | Atıl/%5 oksijen |
| Sıcaklık programı | RT - 600°C, 10 K/dak |
Tablo 2: TMA ölçüm koşulları
| Enstrüman | TMA Hyperion® serisi |
|---|---|
| Fırın | Çelik |
| Örnek tutucu | SiO2, gerilim |
| Örnek uzunluğu | ~ 10 mm |
| Kuvvet | 1 mN |
| Gaz akışı | 50 ml/dak |
| Gaz atmosferi | Azot |
| Sıcaklık programı | RT - 400°C, 5 K/dak |
Ölçüm Sonuçları ve Tartışma
Farklı separatör tiplerinin termal kararlılığı, farklı koşullar altında TGA deneyleri ile araştırılmıştır. Şekil 1, inert koşullar altında polimer kaplı seramikten yapılmış kompozit bir separatör ile kağıt separatörün TGA eğrilerinin karşılaştırılmasını göstermektedir. Kağıt ayırıcı, 150°C'ye kadar olan sıcaklık aralığında %2,1'lik bir kütle kaybı adımı göstermektedir ki bu da nem içeriğiyle ilişkilendirilebilir. Her iki ayırıcı da 220°C'nin üzerinde ayrışmaya başlar. Kağıt ayırıcı için başlangıçtaki kütlenin %78'i PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz nedeniyle kaybolmuştur. Geriye sadece Pirolitik KarbonPirolitik karbon, organik maddenin oksijensiz bir atmosferde pirolizi sonucu oluşan karbondur. pirolitik karbon kalmıştır. Kompozit separatörde ise sadece polimer içeriği pirolize uğrarken (kütle kaybı yaklaşık %18), seramik kısım ve üretilen Pirolitik KarbonPirolitik karbon, organik maddenin oksijensiz bir atmosferde pirolizi sonucu oluşan karbondur. pirolitik karbon varlığını sürdürmüştür.
Minimum oksijen içeriğinin varlığında (örneğin, katot malzemesinin ayrışmasıyla açığa çıkan), TGA eğilimi inert atmosfer altındaki davranıştan önemli ölçüde farklıdır. 5 oksijende, artık karbonun yanması organik içeriğin pirolitik ayrışması ile örtüşür; bkz. şekil 2.
Şekil 3, kütle spektrometresi tarafından kaydedilenH2O(m/z 18) veCO2 (m/z 44) izleri ile birlikte oksijen içeren bir atmosferde iki separatörün aynı TGA verilerini göstermektedir. Evrimleşmiş gaz analizi, kağıt ayırıcı için ilk kütle kaybı adımı sırasında suyun salındığını ve ana kütle kaybı adımı sırasında su ve karbondioksitin aynı anda salındığını kanıtlamaktadır.
Farklı separatör tiplerinin mekanik kararlılığı TMA deneyleri ile araştırılmıştır. Şekil 4'te kağıt separatör (kırmızı) ve kompozit separatörün (mavi) termal genleşmesinin karşılaştırılması gösterilmektedir. Ölçümler inert bir atmosferde gerçekleştirilmiştir. Kompozit ayırıcı tüm ölçüm boyunca mekanik olarak sabit kalmıştır. Ölçümün sonunda, 400°C'de sadece hafif bir büzülme tespit edilmiştir. Bunun aksine, kağıt ayırıcıda ölçümün hemen başında uzunlukta bir azalma gözlenmiştir.
Bunun nedeni malzemenin kurumasıdır. Daha yüksek sıcaklıklarda, iki separatörün organik kısımlarının pirolizi başlar ve kağıt separatör için 333°C'de (ekstrapole edilmiş başlangıç) mekanik stabilite kaybına yol açar. Pirolizden kaynaklanan kütle kaybı ve mekanik stabilite kaybı, kağıt separatörün TGA ve TMA eğrilerinin karşılaştırmasını gösteren şekil 5'te görülebileceği gibi benzer bir sıcaklık aralığında meydana gelir.
Özet
TGA-MS ve TMA ölçümleri, lityum-iyon pillerde yanlış kullanım (örn. hızlı şarj/deşarj; kısa devre) veya teknik arıza gibi termal olaylar sırasında ayırıcıların davranışını tahmin etmek için güvenilir bir araç sağlar. Bu çalışmada, seramik kaplı polimer ayırıcı, kağıt ayırıcıdan önemli ölçüde daha fazla termal ve yapısal stabilite sergilemiş, 400°C'ye kadar bütünlüğünü korumuş, kağıt ayırıcı ise daha düşük sıcaklıklarda mekanik stabilitesini kaybetmiştir.
Ek olarak, TGA-MS ve TMA analizleri, gerekli ön işlem adımları için Identify bozulmamış malzemeleri karakterize etmek açısından değerlidir. Kağıt ayırıcı için, ölçümün başlangıcında nem salınımına bağlı ilk büzülme ve kütle kaybı gözlenmiştir. Dolayısıyla bu analitik teknikler, ayırıcı malzemelerin seçimi ve optimizasyonu için temel bilgiler sağlayarak lityum iyon pillerin genel güvenliğine ve güvenilirliğine katkıda bulunur.