Lityum İyon Pil Elektrolitinin Termal Kararlılığı

Bir lityum iyon bataryada bulunan ve tipik olarak aksiliklerden sorumlu olan bileşenlerden biri elektrolittir. Aşağıdaki makalede, bileşimi, termal kararlılığı araştırmak ve açığa çıkan ürünleri tanımlamak için TGA, DSC ve evrimleşmiş gaz analizi yoluyla çeşitli deneyler yapılmıştır.

Lityum iyon piller, farkında olsak da olmasak da artık sürekli olarak günlük kullanımımızda yer almaktadır. Cep telefonlarımıza, dizüstü bilgisayarlarımıza ve larger elektrikli araçlar ve uçaklar gibi eşyalara güç sağlamaktadırlar. Pillerin alev alması gibi bu pillerle meydana gelen aksilikler hakkında sık sık olumsuz hikayeler duymaktayız. Lityum iyon pillerde bulunan ve tipik olarak bu zararlı etkilerden sorumlu olan bileşenlerden biri elektrolittir.

Deneysel

Aşağıdaki çalışmada, yaygın olarak kullanılan bir elektroliti (Sigma-Aldrich'ten alınan EC/DEC=50/50 (v/v) içinde 1,0 M _LiPF6 ) ortam atmosferine (_N2,_O2,_H2O,_CO2, vb.) maruz bırakarak incelemek için TGA, DSC ve evrimleşmiş gaz analizi yoluyla çeşitli deneyler yapılmıştır.numuneler argonla temizlenen bir eldiven torbasında, gazların dışarı çıkmasını sağlamak için lazerle kesilmiş 50 μm'lik delikli alüminyum kroze kapaklarıyla kapatılmış 40 μl'lik alüminyum krozelere pipetlenen yaklaşık 8 ila 10 mg elektrolit çözeltisi kullanılarak hazırlanmıştır. Numuneler NETZSCH STA 449 ile yüklenmiş ve ölçülmüştür F1 Jupiter^® bir KYS'ye bağlı 403 Aëolos^®^5oC/dakısıtma hızı ve temizleme gazı olarak argon kullanılmıştır. Elektrolit bileşimindeki değişiklikleri izlemek için diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) gerçekleştirilmiştir. Termal kararlılığı ve Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma sıcaklıklarını ölçmek için termogravimetrik analiz (TGA) kullanılırken, kütle spektrometresi (MS) yoluyla evrimleşmiş gaz analizi (EGA) salınan ürünleri tanımlamıştır.

Şekil 1: İşlem görmemiş EC-DEC-LiPF6'nın TGA-DSC-DTG grafikleri

Şekil 2: DEC'e karşılık gelen 45, 59, 63, 75 ve 91 numaralı MS iyon akımı eğrileri

Sonuçlar ve Tartışma

Şekil 1, etilen karbonat (EC), dietil karbonat (DEC) ve lityum hekzaflorofosfattan (_LiPF6) oluşan işlenmemiş elektrolit numunesinin TGA (yeşil), DTG (kahverengi) ve DSC (mavi) eğrilerini göstermektedir.i̇lk kütle kaybı dietil karbonatın buharlaşmasına atfedilebilir, çünkü bu bileşikle ilişkili kütle sayıları (45, 59, 63, 75 ve 91) Şekil 2'de görüldüğü gibi ^150oC civarında zirve yapmaktadır ve dietil karbonatın NIS libraT ry kütle spektrumu Şekil 3'te gösterilmektedir.

Bu elektrolit ortam atmosferine maruz bırakıldığında, kararlılık ve bileşim değişmeye başlar. Dönüşüm, işlenmemiş elektrolit DSC ve TGA sinyallerinin çeşitli süreler boyunca ortam atmosferine maruz bırakılan elektrolit numunelerinin sinyalleriyle birlikte çizildiği Şekil 4 ve 5'te görülebilir. Evrimleşmiş gaz analizi (Şekil 6), işlenmemiş numuneye kıyasla radikal değişiklikleri doğrulamaktadır; bunun en büyük göstergesi, DEC'e (45, 59, 63, 75 ve 91) ait kütle sayılarının artık maruz bırakılan numunede bulunmamasıdır.

Şekil 4: EC-DEC-LiPF6'nın TGA eğrilerinin farklı maruz kalma süreleri ile karşılaştırılması

Şekil 5: EC-DEC-LiPF6'nın farklı maruz kalma sürelerine sahip DSC eğrilerinin karşılaştırılması

Şekil 6: İşlem görmemiş ve maruz bırakılmış elektrolit numunesinin TGA ve MS sinyallerinin karşılaştırılması

Sonuç

Lityum iyon pil elektrolitleri, ortamdaki atmosferik gazlara maruz kalmaya karşı hassas olduğu bilinen malzemelerdir. Gösterildiği gibi, termal ve evrimleşmiş gaz analizörleri, sonuçta ürünün işlevselliğini ve güvenliğini tehlikeye atabilecek bu malzeme özelliğini araştırmak için kullanılabilir. Uygulama notunun tamamına buradan ulaşabilirsiniz!