Name: identificación y cuantificación de mecanismos de descomposición en baterías de iones de litio; Entrada a la simulación de flujo de calor para modelar la fuga térmica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-03-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 25 s
Description: Aprende a identificar mecanismos de descomposición térmica en baterías de iones de litio mediante análisis térmico simultáneo, cromatografía de gases y espectroscopía infrarroja. Este protocolo computacional mejora la simulación de fugas térmicas.

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Los autores agradecen gentilmente a Marc Steen y Natalia Lebedeva por el excelente apoyo para revisar y discutir este manuscrito.

Los autores no tienen nada que revelar.

<table><tbody><tr><td>Guantera MB 200B</td><td>MBraun</td><td></td><td>Guantera rellena de argón para garantizar una atmósfera inerte.&nbsp; H2O < 0,1 ppm; O2 < 0.1 ppm</td></tr><tr><td>&nbsp; STA 449 F3 Júpiter&reg;</td>Análisis térmico simultáneo <td>de Netzsch</td><td></td><td>para la caracterización térmica. El equipo STA se encuentra dentro de la guantera. Tipo de horno utilizado: plata</td></tr><tr><td>Agilent 7820A GC- Agilent 5977E MS</td><td>Agilent</td><td></td><td>Cromatógrafo de gases equipado con un espectrómetro de masas cuadrupolar. GC-MS se acopla a STA a través de líneas calentadas para identificar los gases liberados durante la caracterización térmica</td></tr><tr><td>Bruker Vertex 70 V FTIR</td><td>Bruker</td><td></td><td>&nbsp; Espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier equipado con una caja TG-IR. FTIR se acopla a STA a través de líneas calentadas para identificar los gases liberados durante la caracterización térmica</td></tr><tr><td>Disco de electrodos de grafito de 18 mm</td><td>Customcell</td><td>363586011</td><td>disco de electrodos de grafito con una capacidad de área de 2,24 mAh.cm-2</td></tr><tr><td>18mm Disco de electrodos NMC (111)</td><td>Customcell</td><td>363662011</td><td>Disco de electrodo LiNiMnCoO2 con relación de estequiometría 111 y una capacidad de área de 2,0 mAh.cm-2</sup</td></tr><tr><td>>1,0 M LiPF6 en EC/DMC=50/50 (v/v)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>746711-100ML</td><td>Electrolito</td></tr><tr><td>&nbsp; 2325 separador de película tricapa</td><td>Celgard&reg;</td><td></td><td>Separador de película. Se deben cortar discos de 22 mm de diámetro de la película</td></tr><tr><td>Alicates de corte de alta precisión</td><td>EL Cell</td><td></td><td>1) Se utiliza en el párrafo 2 para cortar con un diámetro fijo de 18 mm las láminas de cobre y aluminio desnudas (no recubiertas). Estos colectores actuales se compraron al mismo proveedor que para los discos eléctricos 2) Utilizados para cortar discos separadores Cegard de 22 mm de diámetro</td></tr><tr><td>kit ECC-PAT-Core (versión 2014) utilizando: a) émbolo superior de acero inoxidable (SS) reutilizable, b) émbolo inferior SS reutilizable de tipo 50 (tamaño en &micro; m), c) manguitos de aislamiento de PP de un solo uso</td><td>&nbsp;Conjunto de celda</td><td>electroquímica de celda</td><td></td> EL</tr><tr><td>&nbsp; Maccor Serie 4000</td> Ciclador de batería <td>Maccor</td><td></td><td>. Se utilizó para ciclar 2 veces la celda electroquímica y para ajustar posteriormente el SOC a</td></tr> <tr><td>crisoles 100% de aluminio con 5 &micro; m tapa perforada por láser</td><td>Netzsch</td><td>6.239.2-64.81.00</td><td>Crisol utilizado para el análisis térmico y la identificación de gases liberados a partir de material de electrodo ciclado (ánodo de grafito o cátodo NMC (111)</td></tr><tr><td>Balanza de precisión AE240&nbsp; tipo AE240-S dentro de la guantera</td><td>Mettler Toledo</td><td></td><td>Los materiales de la batería se miden en &micro; g precisión</td></tr><tr><td>Multímetro digital analógico modelo ABB MetraWatt M2005</td><td>Gossen MetraWatt</td><td></td><td>Se utiliza para medir la celda electroquímica recién montada en el párrafo 1.2.6</td></tr></tbody></table>

identificación y cuantificación de mecanismos de descomposición en baterías de iones de litio; entrada a la simulación de flujo de calor para modelar la fuga térmica

Identification and Quantification of Decomposition Mechanisms in Lithium-Ion Batteries; Input to Heat Flow Simulation for Modeling Thermal Runaway

Los riesgos y posibles accidentes relacionados con el uso normal de las baterías de iones de litio siguen siendo motivo de grave preocupación. Con el fin de obtener una mejor comprensión de la fuga térmica (TR), se estudiaron las reacciones de descomposición exotérmica en ánodo y cátodo, utilizando un sistema espectrómetro de análisis térmico simultáneo (STA) / cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) / infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR). Estas técnicas permitieron identificar los mecanismos de reacción en cada electrodo, debido al análisis de las especies gaseosas evolucionadas, la cantidad de calor liberado y la pérdida de masa. Estos resultados proporcionaron información sobre los eventos térmicos que ocurren dentro de un rango de temperatura más amplio que el cubierto en modelos publicados anteriormente. Esto permitió la formulación de un modelo térmico mejorado para representar TR. El calor de reacción, la energía de activación y el factor de frecuencia (tripletes térmicos) para cada proceso exotérmico importante a nivel de material se investigaron en una celda de batería de litio-níquel-manganeso-cobalto-óxido (NMC (111))-grafito. Se analizaron los resultados y se derivó su cinética. Estos datos se pueden utilizar para simular con éxito el flujo de calor experimental.

Este trabajo tiene como objetivo determinar la cinética de reacción del cátodo de la batería de iones de litio y los materiales del ánodo sometidos a fuga térmica (TR). Se utilizó el espectrómetro de análisis térmico simultáneo (STA) / espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) / espectrometría de masas de cromatografía de gases (GC-MS) para revelar eventos térmicos y detectar gases evolucionados.

identificación y cuantificación de mecanismos de descomposición en baterías de iones de litio; Entrada a la simulación de flujo de calor para modelar la fuga térmica

The risks and possible accidents related to the normal use of lithium-ion batteries remain a serious concern. In order to get a better understanding of ...

Este método puede ayudar a identificar el mecanismo de descomposición térmica y las propiedades térmicas de los materiales electrónicos de la batería. Esto permite una mayor comprensión de un evento de fuga térmica en una sola celda. A partir de este protocolo, las propiedades térmicas de los materiales de la batería se derivaron con mayor precisión al garantizar condiciones innatas desde la preparación de la muestra hasta la carga de la muestra y al seleccionar los parámetros adecuados para el propósito.Esta técnica se extiende hacia el desarrollo de un modelo térmico mejorado para simular la fuga térmica en una sola celda. Esto permite una mejor evaluación del rendimiento de seguridad de la batería para apoyar, por ejemplo, la formulación de normas y regulaciones. Este método proporciona una visión útil de la estabilidad térmica de los materiales.Esto se puede aplicar para estudiar otros materiales energéticos como explosivos, propulsores, pirotecnia o materiales novedosos. A medida que el material se calienta con el tiempo, se recopilan múltiples espectros. Por lo tanto, es importante asociar cualquier transición de fase con los espectros GC-MS y FTIR correctos.Para comenzar, tome un disco separador de polímero de un diámetro de 22 milímetros y un grosor de 25 micrómetros y colóquelo en la parte superior de la parte inferior del manguito de aislamiento de polipropileno. Presione con cuidado la parte superior del manguito de aislamiento para ensamblarlo y asegurarse de que el separador sea plano. Reúna las herramientas y materiales necesarios para el ensamblaje de celdas electroquímicas e insértelos dentro de la guantera.Pese los discos de los electrodos en una balanza analítica de 4 dígitos y registre los valores para determinar la carga de material activo. Tome 150 microlitros del electrolito con la micropipeta y coloque una gota en el separador frente a la parte inferior del manguito de aislamiento. Inserte el ánodo de grafito con la ayuda de la pinza de recogida de vacío, seguida del émbolo inferior.Después de girar el manguito de aislamiento, dispense el electrolito restante en el separador. Con una pinza de recogida de vacío, inserte el disco catódico NMC y coloque el émbolo superior. Monte el ensamblaje dentro de la parte del núcleo de la celda.Coloque la junta tórica antes de sujetar todo junto con la abrazadera del perno. Retire la celda electroquímica de la guantera y colóquela dentro de la cámara de temperatura, luego enchufe los cables apropiados para conectar la celda al ciclador. Ejecute el proceso de ciclo electroquímico seleccionando el nombre de archivo del protocolo introduciendo la corriente correspondiente para C/20 C-rate y seleccione el número de cámara.Luego, haga clic en el botón Inicio. Después del paso de ciclismo, lleve la celda electroquímica dentro de la guantera. Desmonte la celda y saque un electrodo, luego vuelva a montar la celda para evitar que el electrodo restante se seque.Pese el electrodo con la balanza de precisión y colóquelo sobre papel de aluminio fresco y doble el papel de aluminio. Para secar el electrodo, colóquelo en la antecámara de la guantera de transferencia al vacío durante dos horas. Cuando el peso se haya estabilizado en x miligramos más menos 0,01 miligramos, observe el peso del electrodo seco.Usando pinzas y una espátula, raye el disco para cosechar el material recubierto para su posterior caracterización. Para la preparación de STA, cree un nuevo método abriendo el software STA y haciendo clic en Archivo y, a continuación, en Nuevo. Seleccione los parámetros en la ficha Configuración de la ventana Definición de medición.Vaya a la pestaña Encabezado y seleccione Corrección para ejecutar una ejecución de corrección con un crisol vacío para la corrección de línea base. Escriba el nombre de la muestra y seleccione el archivo para la calibración de temperatura y sensibilidad que se utilizará para la ejecución. Vaya a Gases MFC y seleccione Helio como gas de purga y gas protector.Cree el programa de temperatura en la ficha Programa de temperatura para definir el proceso de calentamiento y enfriamiento. Ajuste el caudal de helio a 100 mililitros por minuto y 20 mililitros por minuto para purga y gas protector, respectivamente. Haga clic en GN2 como medio de enfriamiento y STC para el control de la temperatura de la muestra para todos los segmentos del programa de temperatura, comenzando desde el paso isotérmico a 5 grados centígrados hasta el final del segmento de calentamiento.Vaya a la pestaña Último elemento y asigne un nombre de archivo a esta ejecución. Utilice la balanza de precisión y mida el peso del crisol vacío. Introduzca la masa del crisol junto al nombre de la muestra.Abra el horno de plata y coloque el crisol en el portamuestras DSC/TG del STA. Evacúe el horno lentamente para eliminar el argón y rellenarlo con helio a la velocidad máxima de flujo. Repita la recarga de evacuación al menos dos veces para deshacerse del argón proveniente de la atmósfera de la guantera al abrir el horno para colocar los crisoles.Después de la evacuación y el relleno, espere 15 minutos para estabilizar el peso. Con el programa de temperatura, ejecute la corrección ejecutando pulsando Medir. Cuando termine la carrera, saca el crisol vacío.Ponga de 6 a 8 miligramos del material rayado en el crisol. Después de pesar la muestra en el crisol y registrar la masa, selle la sartén y la tapa con una prensa de sellado. Abra el archivo de ejecución de corrección yendo a Archivo y Abrir.En la ficha Definición rápida, seleccione Muestra de corrección como tipo de medición. Escriba el nombre y el peso de la muestra y elija un nombre de archivo. Vaya a la pestaña Programa de temperatura y active la opción FT para el paso isotérmico de 5 grados centígrados y el segmento de calentamiento a 590 grados centígrados para iniciar el monitoreo de gas FTIR para estos dos segmentos.Haga clic en el cuadro GC del segmento de calentamiento para activar el análisis GC-MS. Tome un embudo, insértelo en el Dewar del puerto detector de telururo de mercurio cadmio y llénelo cuidadosamente con nitrógeno líquido. Abra el software FTIR.En la ficha Parámetro básico, cargue el método TG-FTIR denominado TGA. XPM. Compruebe el interferograma haciendo clic en la pestaña Comprobar señal, luego espere hasta que el interferograma se haya estabilizado antes de comenzar el análisis térmico. Encienda la línea de la bomba de vacío para extraer especies gaseosas evolucionadas de STA a FTIR y GC-MS.Ajuste la velocidad de bombeo a un flujo estable, que es de aproximadamente 60 mililitros por minuto. Después de cargar el método en el software GC-MS, haga clic en Ejecutar método y complete el nombre de muestra y el nombre del archivo de datos, luego haga clic en Aceptar y Ejecutar método. En el software STA, verifique el programa de temperatura, el flujo de gas y asegúrese de que las opciones GC-MS y FTIR estén habilitadas.Vaya a la pestaña Últimos elementos y asigne un nombre de archivo a la muestra para los datos STA y FTIR. Presione Medir y haga clic en Iniciar conexión FTIR para establecer la conexión entre el software STA y el software FTIR. Una vez establecida la conexión, haga clic en Tara para poner el saldo a cero y verifique el flujo de gas seleccionando Establecer gases iniciales, luego presione el botón Inicio para iniciar la carrera.La curva de descarga de la celda electroquímica de grafito NMC 111 muestra un potencial de ánodo de 50 milivoltios, lo que confirma la ausencia de recubrimiento de litio. El perfil de descomposición térmica del material del ánodo reveló un pico endotérmico agudo en la región 1 sin pérdida de masa ni generación de gas. La región 2 muestra una amplia descomposición de calor DSC, además de una evolución mínima del gas y una pérdida de masa.La emisión de dióxido de carbono se ve alrededor de 100 grados centígrados, pero cae antes de los 150 grados centígrados, mientras que el carbonato de etileno comienza a evaporarse cerca de 150 grados centígrados. La región 3 mostró una pérdida de masa significativa, evolución del gas y generación de calor, mostrada por un pico exotérmico agudo. Se detectaron dióxido de carbono, carbonato de etileno, trifluoruro de fósforo y etileno.La región 4 muestra una disminución de la cantidad de liberación de calor con picos pequeños, parcialmente superpuestos, pérdida de masa menor con trazas de gas de etileno, y se observó etano, metano y propileno. El aumento de las tasas de calentamiento resultó en una temperatura máxima más alta, excepto para el pico 1, donde la temperatura máxima máxima cambia a valores más bajos. Se utilizaron diagramas de Kissinger de pico 2 y pico 3 para calcular los parámetros cinéticos.La reproducibilidad es primordial al ensamblar la configuración electroquímica y al abrir la celda para el análisis térmico. Por lo tanto, se necesitan múltiples repeticiones por el mismo operador y siguiendo pasos idénticos. Otras técnicas analíticas como SEM-EDX o XRD pueden proporcionar una visión más profunda de la composición química de los materiales de las baterías y, además, pueden mostrar sus cambios al exponerse a diversas condiciones ambientales o electroquímicas.Esta técnica puede ayudar a los investigadores a llevar a cabo la evaluación de las propiedades térmicas de los materiales de la batería de una manera muy sistemática, al tiempo que garantiza la preparación adecuada de la muestra.

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Investigación

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Chemistry

Química

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Aprende a identificar mecanismos de descomposición térmica en baterías de iones de litio mediante análisis térmico simultáneo, cromatografía de gases y espectroscopía infrarroja. Este protocolo computacional mejora la simulación de fugas térmicas.

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