تحديد وقياس آليات التحلل في بطاريات الليثيوم أيون ؛ مدخلات لمحاكاة تدفق الحرارة لنمذجة الهروب الحراري
مارس 7, 2022
يهدف هذا العمل إلى تحديد حركية التفاعل لكاثود بطارية Li-ion ومواد الأنود التي تخضع للهروب الحراري (TR). تم استخدام التحليل الحراري المتزامن (STA) / مطياف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) / قياس الطيف الكتلي لكروماتوغرافيا الغاز (GC-MS) للكشف عن الأحداث الحرارية والكشف عن الغازات المتصاعدة.
يمكن أن تساعد هذه الطريقة في تحديد آلية التحلل الحراري والخصائص الحرارية لمواد إلكترون البطارية. يتيح ذلك مزيدا من الفهم لحدث الهروب الحراري في خلية واحدة. من هذا البروتوكول ، تم اشتقاق الخصائص الحرارية لمواد البطارية بشكل أكثر دقة من خلال ضمان الظروف الفطرية من إعداد العينة إلى تحميل العينات واختيار المعلمات المناسبة للغرض.
تمتد هذه التقنية نحو تطوير نموذج حراري محسن لمحاكاة الهروب الحراري في خلية واحدة. وهذا يسمح بعد ذلك بإجراء تقييم أفضل لأداء سلامة البطارية لدعم ، على سبيل المثال ، صياغة المعايير واللوائح. توفر هذه الطريقة نظرة ثاقبة مفيدة للاستقرار الحراري للمواد.
يمكن تطبيق ذلك لدراسة المواد النشطة الأخرى مثل المتفجرات أو الوقود الدافع أو الألعاب النارية أو المواد الجديدة. أثناء تسخين المادة بمرور الوقت ، يتم جمع أطياف متعددة. لذلك ، من المهم ربط أي انتقال طور بأطياف GC-MS و FTIR الصحيحة.
للبدء ، خذ قرص فاصل بوليمر بقطر 22 ملم وسمك 25 ميكرومتر وضعه أعلى الجزء السفلي من غلاف عزل البولي بروبلين. اضغط بحذر على الجزء العلوي من غلاف العزل لتجميعه والتأكد من أن الفاصل مسطح. اجمع الأدوات والمواد اللازمة لتجميع الخلايا الكهروكيميائية وأدخلها داخل صندوق القفازات.
قم بوزن أقراص القطب على ميزان تحليلي مكون من 4 أرقام وسجل القيم لتحديد تحميل المواد النشطة. خذ 150 ميكرولتر من المنحل بالكهرباء باستخدام الماصة الدقيقة وضع قطرة على الفاصل المواجه للجزء السفلي من غلاف العزل. أدخل أنود الجرافيت بمساعدة ملقط الالتقاط الفراغي ، متبوعا بالمكبس السفلي.
بعد تدوير غلاف العزل ، قم بتوزيع المنحل بالكهرباء المتبقي على الفاصل. باستخدام ملقط التقاط الفراغ ، أدخل قرص الكاثود NMC وضع المكبس العلوي. قم بتركيب التجميع داخل الجزء الأساسي للخلية.
ضع الحلقة O قبل تثبيت كل شيء مع مشبك الترباس. قم بإزالة الخلية الكهروكيميائية من صندوق القفازات وضعها داخل حجرة درجة الحرارة ، ثم قم بتوصيل الكابلات المناسبة لتوصيل الخلية بالدراج. قم بتشغيل عملية التدوير الكهروكيميائية عن طريق تحديد اسم ملف البروتوكول الذي يدخل التيار المقابل لمعدل C / 20 C وحدد رقم الغرفة.
بعد ذلك ، انقر فوق الزر "ابدأ". بعد خطوة ركوب الدراجات ، أحضر الخلية الكهروكيميائية داخل صندوق القفازات. قم بتفكيك الخلية وأخرج قطبا كهربائيا واحدا ، ثم أعد تجميع الخلية لحماية القطب المتبقي من الجفاف.
قم بوزن القطب باستخدام الميزان الدقيق وضعه على ورق الألمنيوم الطازج وقم بطي الرقاقة. لتجفيف القطب ، ضعه في غرفة انتظار صندوق قفازات النقل تحت فراغ لمدة ساعتين. عندما يستقر الوزن عند x ملليغرام زائد ناقص 0.01 ملليغرام ، لاحظ وزن القطب المجفف.
باستخدام ملاقط وملعقة ، خدش القرص لحصاد المواد المطلية لمزيد من التوصيف. لإعداد STA ، قم بإنشاء طريقة جديدة عن طريق فتح برنامج STA والنقر فوق ملف ، ثم على جديد. حدد المعلمات ضمن علامة التبويب إعداد في نافذة تعريف القياس.
انتقل إلى علامة التبويب الرأس وحدد تصحيح لتنفيذ عملية تصحيح ببوتقة فارغة لتصحيح خط الأساس. اكتب اسم العينة وحدد ملف معايرة درجة الحرارة والحساسية لاستخدامها في التشغيل. انتقل إلى غازات MFC وحدد الهيليوم كغاز تطهير وغاز واقي.
قم بإنشاء برنامج درجة الحرارة ضمن علامة التبويب برنامج درجة الحرارة لتحديد عملية التسخين والتبريد. اضبط معدل تدفق الهليوم على 100 ملليلتر في الدقيقة و 20 ملليلتر في الدقيقة للتطهير والغاز الواقي على التوالي. انقر فوق GN2 كوسيط تبريد و STC للتحكم في درجة حرارة العينة لجميع أجزاء برنامج درجة الحرارة ، بدءا من الخطوة متساوية الحرارة عند 5 درجات مئوية إلى نهاية جزء التسخين.
انتقل إلى علامة التبويب العنصر الأخير وقم بإعطاء اسم ملف لهذا التشغيل. استخدم ميزان الدقة وقم بقياس وزن البوتقة الفارغة. أدخل كتلة البوتقة بجوار اسم العينة.
افتح الفرن الفضي وضع البوتقة على حامل عينة DSC/TG الخاص ب STA. قم بإخلاء الفرن ببطء لإزالة الأرجون وإعادة تعبئته بالهيليوم بأقصى معدل تدفق. كرر إعادة ملء الإخلاء مرتين على الأقل للتخلص من الأرجون القادم من جو صندوق القفازات عند فتح الفرن لوضع البوتقات.
بعد الإخلاء وإعادة التعبئة ، انتظر لمدة 15 دقيقة لتثبيت الوزن. باستخدام برنامج درجة الحرارة ، قم بتنفيذ التصحيح عن طريق الضغط على Measure. عند الانتهاء من الجري ، أخرج البوتقة الفارغة.
ضع 6 إلى 8 ملليغرام من المادة المخدوشة في البوتقة. بعد وزن العينة في البوتقة وتسجيل الكتلة ، أغلق المقلاة والغطاء باستخدام مكبس مانع للتسرب. افتح ملف تشغيل التصحيح بالانتقال إلى ملف وفتح.
ضمن علامة التبويب تعريف سريع، حدد عينة التصحيح كنوع قياس. اكتب اسم العينة ووزنها واختر اسم ملف. انتقل إلى علامة التبويب برنامج درجة الحرارة وقم بتنشيط خيار FT للخطوة متساوية الحرارة البالغة 5 درجات مئوية وجزء التسخين إلى 590 درجة مئوية من أجل إطلاق مراقبة غاز FTIR لهذين الجزأين.
انقر فوق مربع GC لجزء التسخين لتشغيل تحليل GC-MS. خذ قمعا ، وأدخله في Dewar من منفذ كاشف تيلورايد الكادميوم الزئبقي واملأه بعناية بالنيتروجين السائل. افتح برنامج FTIR.
في علامة التبويب المعلمة الأساسية ، قم بتحميل أسلوب TG-FTIR المسمى TGA. إكس بي إم. تحقق من مخطط التداخل بالنقر فوق علامة التبويب Check Signal ، ثم انتظر حتى يستقر مخطط التداخل قبل بدء التحليل الحراري. قم بتشغيل خط مضخة التفريغ لسحب الأنواع الغازية المتطورة من STA إلى FTIR و GC-MS.
اضبط معدل الضخ على تدفق مستقر ، وهو حوالي 60 ملليلتر في الدقيقة. بعد تحميل الطريقة في برنامج GC-MS ، انقر فوق تشغيل الطريقة واملأ اسم العينة واسم ملف البيانات ، ثم انقر فوق "موافق" و "طريقة التشغيل". في برنامج STA ، تحقق من برنامج درجة الحرارة وتدفق الغاز وتأكد من تمكين خيارات GC-MS و FTIR.
انتقل إلى علامة التبويب العناصر الأخيرة وقم بإعطاء اسم ملف للنموذج لبيانات STA و FTIR. اضغط على Measure وانقر فوق بدء اتصال FTIR لإنشاء الاتصال بين برنامج STA وبرنامج FTIR. بمجرد إنشاء الاتصال ، انقر فوق Tare لوضع الرصيد عند الصفر والتحقق من تدفق الغاز عن طريق تحديد تعيين الغازات الأولية ، ثم اضغط على زر البدء لبدء التشغيل.
يظهر منحنى التفريغ لخلية الجرافيت الكهروكيميائية NMC 111 إمكانات أنود تبلغ 50 مللي فولت ، مما يؤكد عدم وجود طلاء الليثيوم. كشف ملف التحلل الحراري لمادة الأنود عن ذروة ماصة للحرارة حادة في المنطقة 1 مع عدم وجود فقد للكتلة أو توليد غاز. تظهر المنطقة 2 تحللا حراريا واسعا في كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) بالإضافة إلى الحد الأدنى من تطور الغاز وفقدان الكتلة.
يلاحظ انبعاث ثاني أكسيد الكربون حوالي 100 درجة مئوية ، لكنه ينخفض قبل 150 درجة مئوية ، بينما تبدأ كربونات الإيثيلين في التبخر بالقرب من 150 درجة مئوية. أظهرت المنطقة 3 فقدانا كبيرا في الكتلة ، وتطور الغاز ، وتوليد الحرارة ، كما يتضح من ذروة طاردة للحرارة حادة. تم الكشف عن ثاني أكسيد الكربون وكربونات الإيثيلين وثلاثي فلوريد الفوسفور والإيثيلين.
تظهر المنطقة 4 انخفاضا في كمية إطلاق الحرارة مع قمم صغيرة متداخلة جزئيا ، وفقدان طفيف للكتلة مع آثار غاز الإيثيلين ، ولوحظ الإيثان والميثان والبروبيلين. أدت زيادة معدلات التسخين إلى ارتفاع درجة حرارة الذروة باستثناء الذروة 1 ، حيث تتحول درجة الحرارة القصوى للذروة إلى قيم أقل. تم استخدام مخططات كيسنجر للذروة 2 والذروة 3 لحساب المعلمات الحركية.
تعد قابلية التكرار أمرا بالغ الأهمية عند تجميع الإعداد الكهروكيميائي وعند فتح الخلية للتحليل الحراري. لذلك ، هناك حاجة إلى تكرار متعدد من قبل نفس المشغل واتباع خطوات متطابقة. يمكن أن توفر التقنيات التحليلية الأخرى مثل SEM-EDX أو XRD نظرة أعمق على التركيب الكيميائي لمواد البطارية ، وعلاوة على ذلك ، يمكنها إظهار تغييراتها عند التعرض لظروف بيئية أو كهروكيميائية مختلفة.
يمكن أن تساعد هذه التقنية الباحثين على إجراء تقييم للخصائص الحرارية لمواد البطارية بطريقة منهجية للغاية ، مع ضمان إعداد العينات بشكل صحيح.
المراجعة
تبحث هذه الدراسة في حركية تفاعل مواد بطاريات الليثيوم أيون خلال أحداث الهروب الحراري. من خلال استخدام تقنيات التحليل الحراري المتزامن، تهدف الدراسة إلى تعزيز فهم الاستقرار الحراري وأداء السلامة لمكونات البطارية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- سلامة البطارية
- التحليل الحراري
- توصيف المواد
الخلفية
- الهروب الحراري هو مصدر قلق أمان حاسم في بطاريات الليثيوم أيون.
- فهم آليات التحلل الحراري ضروري لتحسين سلامة البطارية.
- يمكن أن يوفر التحليل الحراري المتزامن (STA) وتقنيات أخرى رؤى حول الأحداث الحرارية.
- يساعد التوصيف الدقيق للخصائص الحرارية في تطوير معايير السلامة.
غرض الدراسة
- لتحديد حركية تفاعل مواد البطارية خلال الهروب الحراري.
- للتعرف على آليات التحلل الحراري لمكونات البطارية.
- لتطوير نماذج حرارية محسنة لمحاكاة أحداث الهروب الحراري.
الأساليب المستخدمة
- التحليل الحراري المتزامن (STA)
- التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء (FTIR)
- الكروماتوغرافيا الغازية مع مطياف الكتلة (GC-MS)
- تجميع الخلية الكهروكيميائية والدورة
النتائج الرئيسية
- تم اشتقاق الخصائص الحرارية لمواد البطارية بدقة.
- تم جمع عدة أطياف لربط التحولات المرحلية بالأحداث الحرارية.
- توفر الطريقة رؤى قابلة للتطبيق على المواد الطاقوية الأخرى.
- تم تطوير نماذج حرارية محسنة لتقييم السلامة بشكل أفضل.
الاستنتاجات
- تعزز الدراسة فهم الاستقرار الحراري في بطاريات الليثيوم أيون.
- تدعم النتائج صياغة معايير وأنظمة السلامة.
- يمكن تطبيق المنهجية على المواد الطاقوية الأخرى خارج نطاق البطاريات.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Understanding and quantifying decomposition mechanisms in lithium-ion batteries is critical for de-risking battery safety and improving predictive models of thermal runaway. This protocol enables precise identification of exothermic reactions and evolved gases, supporting robust simulation of heat flow and material stability. These insights inform risk assessment and safety standards, directly impacting R&D portfolios in energy storage and advanced materials.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables mechanistic de-risking by clarifying thermal decomposition pathways in battery materials.
- Supports predictive confidence in material selection for energy storage applications.
- Facilitates functional validation of electrode stability under stress conditions.
Screening & Assay Development
- Provides standardized protocols for reproducible thermal and kinetic measurements.
- Delivers quantitative outputs on heat flow, mass loss, and gas evolution for comparative analysis.
- Prepares validated material systems for downstream safety and performance screening.
Translational & Preclinical Research
- Aligns thermal stability data with translational safety modeling for battery systems.
- Enables continuity from material discovery to preclinical safety assessment in energy storage R&D.
- Supports risk-adjusted advancement of novel electrode chemistries.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol integrates from early material discovery through to preclinical safety modeling, providing a foundation for lead identification and risk assessment in battery R&D.
- Discovery Biology: Clarifies decomposition mechanisms and supports hypothesis-driven material selection.
- Screening: Standardizes thermal and kinetic assays for reproducible, quantitative outputs.
- Analytics: Enables measurement of heat flow, evolved gases, and kinetic parameters for robust comparison.
- Translational Research: Bridges material-level findings to system-level safety models and regulatory input.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable analytical workflow for diverse energetic materials beyond batteries.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in material safety.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable analytical protocols.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and enhances capital efficiency in material development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of safer, high-performance materials.
Implementation Considerations
- Requires expertise in thermal analysis, GC-MS, and FTIR spectroscopy.
- Demands access to precision instrumentation and analytical infrastructure.
- Necessitates strict cross-team standardization for reproducibility.
- Adaptable to various energetic material systems with appropriate sample preparation.
- Dependent on rigorous sample handling to ensure data integrity and comparability.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
1:21
Preparation of Electrochemical Cell Inside an Argon-Filled Glove Box
2:44
Electrochemical Cycling
3:17
Cell Disassembly and Preparation for STA/GC-MS/FTIR Analysis
4:09
Thermal Characterization and Gas Analysis
8:38
Results: Decomposition Mechanisms of Anode Material from Lithium-Ion Batteries and Input to Heat Flow Simulation
10:21
Conclusion
