Name: 리튬 이온 배터리의 분해 메커니즘의 식별 및 정량화; 열 폭주 모델링을 위한 열 흐름 시뮬레이션에 대한 입력 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-03-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 25 s
Description: 배우세요 리튬 이온 배터리 열분해 메커니즘을 STA, GC-MS, FTIR로 정량화하는 방법을. NMC-Graphite 전극의 열 폭주 모델링에 필수적인 동역학 파라미터를 도출하여 배터리 안전성 평가를 지원합니다.

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저자는이 원고를 검토하고 토론하는 데 탁월한 지원을 해준 Marc Steen과 Natalia Lebedeva에게 우아하게 감사드립니다.

저자는 공개 할 것이 없습니다.

<table><tbody><tr><td>글러브 박스 MB 200B</td><td>MBraun</td><td></td><td>글로브 박스는 불활성 분위기를 보장하기 위해 아르곤으로 채워져 있습니다.&nbsp; H2O < 0.1 페이지/분; O2 < 0.1 ppm</td></tr><tr><td>&nbsp; STA 449 F3 목성&reg;</td>열 특성화를 위한 <td>Netzsch</td><td></td><td>동시 열 분석. STA 장비는 글로브 박스 내부에 있습니다. 사용된 용광로 유형: 은</td></tr><tr><td>Agilent 7820A GC- Agilent 5977E MS</td><td>애질런트</td><td></td><td>가스 크로마토그래프, 사중극자 질량 분석기가 장착되어 있습니다. GC-MS는 열 특성화 중에 방출되는 가스를 식별하기 위해 가열된 라인을 통해 STA에 연결됩니다.</td></tr><tr><td>Bruker Vertex 70 V FTIR</td><td>Bruker</td><td></td><td>&nbsp; 푸리에 변환 적외선 분광계는 TG-IR 상자가 장착되어 있습니다. FTIR은 열 특성화 중에 방출되는 가스를 식별하기 위해 가열된 라인을 통해 STA에 연결됩니다:</td></tr><tr><td>18mm 흑연 전극 디스크</td>, <td>Customcell</td>, <td>363586011</td> 면적 <td>용량이 2.24 mAh.cm-2</td></tr><tr><td>18mm, NMC(111) 전극 디스크</td>, <td>Customcell</td><td>, 363662011</td><td>LiNiMnCoO2 전극 디스크, 화학량 측정 비율 111 및 면적 용량 2.0 mAh.cm-2</td></tr><tr><td>1.0 M LiPF6 in EC/DMC=50/50 (v/v)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>746711-100ML</td><td>전해질</td></tr><tr><td>&nbsp; 2325 삼중 필름 분리기</td><td>Celgard&reg;</td><td></td><td>필름 분리기. 22mm 직경의 디스크는 필름에서 절단해야 합니다:</td></tr><tr><td>고정밀 절단 플라이어</td>, <td>EL Cell</td><td></td><td>: 1) 2항에서 18mm 직경의 고정된 구리 및 알루미늄 호일(비코팅)을 절단하는 데 사용됩니다. 이 전류 수집기는 elecrode 디스크와 동일한 공급 업체에서 구입했습니다 2) 22mm 직경의 Cegard 분리기 디스크</td></tr><tr><td>ECC-PAT-Core (2014 버전) 키트를 사용하여 사용하는 데 사용됩니다 : a) 재사용 가능한 스테인레스 스틸 (SS) 상부 플런저, b) 재사용 가능한 SS 하부 플런저 유형 50 (크기 &micro; m), c) 일회용 PP 절연 슬리브</td><td>&nbsp;EL 셀</td><td></td><td>전기화학 셀 어셈블리</td></tr><tr><td>&nbsp; Maccor 시리즈 4000</td><td>Maccor</td><td></td><td>배터리 사이커. 전기화학 전지를 2배 순환시키고 나중에 SOC를 5 &마이크로로 100%</td></tr> <tr><td>알루미늄 도가니로 조정하는 데 사용되었습니다. m 레이저 피어싱 뚜껑</td><td>Netzsch</td><td>6.239.2-64.81.00</td><td>순환 전극 재료(그라파이트 양극 또는 NMC (111) 음극)에서 방출된 가스의 열 분석 및 식별에 사용되는 도가니,</td></tr> <tr><td>정밀 균형 AE240&nbsp; 장갑 상자 내부의 AE240-S 유형</td><td>배터리</td><td></td><td>재료는 &마이크로에서 측정됩니다; g precision</td></tr><tr><td>아날로그 디지털 멀티미터 ABB 모델 MetraWatt M2005</td><td>Gossen MetraWatt</td><td></td><td>단락 1.2.6에서 갓 조립된 전기화학 전지를 측정하는 데 사용됩니다</td></tr></tbody></table>.

리튬 이온 배터리의 분해 메커니즘의 식별 및 정량화; 열 폭주 모델링을 위한 열 흐름 시뮬레이션에 대한 입력

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

리튬 이온 배터리의 정상적인 사용과 관련된 위험 및 가능한 사고는 여전히 심각한 우려 사항입니다. 열 폭주 (TR)를 더 잘 이해하기 위해 동시 열 분석 (STA) / 가스 크로마토 그래피-질량 분석법 (GC-MS) / 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광계 시스템을 사용하여 양극 및 음극의 발열 분해 반응을 연구했습니다. 이러한 기술은 진화 된 기체 종의 분석, 방출되는 열의 양 및 질량 손실로 인해 각 전극의 반응 메커니즘을 식별 할 수있었습니다. 이러한 결과는 이전에 발표 된 모델에서 다루는 것보다 더 넓은 온도 범위에서 발생하는 열 이벤트에 대한 통찰력을 제공했습니다. 이를 통해 TR을 묘사하기 위해 개선 된 열 모델을 공식화 할 수있었습니다. 재료 수준에서 각 주요 발열 공정에 대한 반응열, 활성화 에너지 및 주파수 계수(열 삼중항)는 리튬 니켈-망간-코발트-산화물(NMC(111))-흑연 배터리 셀에서 조사되었습니다. 결과를 분석하고 동역학을 도출했습니다. 이러한 데이터는 실험 열 흐름을 성공적으로 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

이 작업은 열 폭주 (TR)를 겪고있는 리튬 이온 배터리 음극 및 양극 재료의 반응 역학을 결정하는 것을 목표로합니다. 동시 열 분석 (STA) / 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광계 / 가스 크로마토 그래피 질량 분석법 (GC-MS)을 사용하여 열 이벤트를 밝히고 방출 된 가스를 감지했습니다.

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 ...

이 방법은 배터리 전자 재료의 열분해 메커니즘과 열적 특성을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이를 통해 단일 셀에서 열 폭주 이벤트를 더 잘 이해할 수 있습니다. 이 프로토콜에서 배터리 재료의 열 특성은 샘플 준비에서 샘플 로딩에 이르기까지 타고난 조건을 보장하고 목적에 맞는 매개 변수를 선택하여보다 정확하게 도출되었습니다.이 기술은 단일 셀에서 열 폭주를 시뮬레이션하기 위해 향상된 열 모델의 개발로 확장됩니다. 이를 통해 배터리 안전 성능을 더 잘 평가하여 예를 들어 표준 및 규정의 공식화를 지원할 수 있습니다. 이 방법은 재료의 열 안정성에 대한 유용한 통찰력을 제공합니다.이것은 폭발물, 추진제, 불꽃 또는 새로운 재료와 같은 다른 에너지 재료를 연구하는 데 적용될 수 있습니다. 재료가 시간이 지남에 따라 가열됨에 따라 여러 스펙트럼이 수집됩니다. 따라서 모든 상 전이를 올바른 GC-MS 및 FTIR 스펙트럼과 연관시키는 것이 중요합니다.시작하려면 직경 22mm, 두께 25 마이크로 미터의 폴리머 분리기 디스크를 가져 와서 폴리 프로필렌 절연 슬리브의 하단 부분 위에 놓습니다. 절연 슬리브의 윗부분을 조심스럽게 눌러 조립하고 분리기가 평평한지 확인하십시오. 전기화학 전지 조립에 필요한 도구와 재료를 모아 글러브 박스 안에 삽입합니다.전극 디스크의 무게를 4자리 분석 저울로 측정하고 값을 기록하여 활성 물질 부하를 결정합니다. 마이크로 피펫으로 150 마이크로 리터의 전해질을 가져 와서 절연 슬리브의 바닥 부분을 향한 분리기에 떨어 뜨립니다. 진공 픽업 핀셋을 사용하여 흑연 양극을 삽입 한 다음 하단 플런저를 삽입하십시오.절연 슬리브를 돌린 후 남은 전해질을 분리기에 분배합니다. 진공 픽업 핀셋을 사용하여 NMC 음극 디스크를 삽입하고 상단 플런저를 놓습니다. 어셈블리를 셀 코어 부품 내부에 장착합니다.볼트 클램프로 모든 것을 고정하기 전에 O-링을 놓으십시오. 글로브 박스에서 전기화학 셀을 제거하고 온도 챔버 내부에 넣은 다음 적절한 케이블을 연결하여 셀을 사이클러에 연결합니다. C/20 C-rate에 해당하는 전류를 입력하는 프로토콜의 파일 이름을 선택하여 전기화학적 사이클링 프로세스를 실행하고 챔버 번호를 선택합니다.그런 다음 시작 버튼을 클릭합니다. 사이클링 단계 후 전기화학 셀을 글러브 박스 안으로 가져옵니다. 셀을 분해하고 하나의 전극을 꺼낸 다음 셀을 재조립하여 나머지 전극이 마르지 않도록 보호합니다.정밀 저울을 사용하여 전극의 무게를 측정하고 새 알루미늄 호일에 놓고 호일을 접습니다. 전극을 건조시키려면 전사 글로브 박스 대기실에 2 시간 동안 진공 상태로 두십시오. 무게가 x 밀리그램 플러스 마이너스 0.01 밀리그램에서 안정화되면 건조 된 전극의 무게를 기록하십시오.핀셋과 주걱을 사용하여 디스크를 긁어 추가 특성화를 위해 코팅 된 재료를 수확합니다. STA 준비를 위해 STA 소프트웨어를 열고 파일을 클릭한 다음 새로 만들기를 클릭하여 새 방법을 만듭니다. 측정 정의 창의 설정 탭에서 파라미터를 선택합니다.헤더(Header) 탭으로 이동하고 수정(Correction)을 선택하여 베이스라인 수정을 위해 빈 도가니로 수정 실행을 실행합니다. 샘플의 이름을 작성하고 실행에 사용할 온도 및 감도 교정을 위한 파일을 선택합니다. MFC 가스로 이동하여 퍼지 가스 및 보호 가스로 헬륨을 선택하십시오.온도 프로그램 탭 아래에 온도 프로그램을 만들어 가열 및 냉각 프로세스를 정의합니다. 퍼지 및 보호 가스에 대해 헬륨의 유량을 분당 100밀리리터 및 분당 20밀리리터로 각각 설정합니다. GN2를 냉각 매체로 클릭하고 STC를 클릭하여 섭씨 5도의 등온 단계부터 가열 세그먼트의 끝까지 온도 프로그램의 모든 세그먼트에 대한 샘플 온도 제어를 수행합니다.마지막 항목 탭으로 이동하여 이 실행에 파일 이름을 지정합니다. 정밀 저울을 사용하여 빈 도가니의 무게를 측정합니다. 샘플 이름 옆에 도가니 질량을 입력합니다.은 가열로를 열고 STA의 DSC/TG 시료 홀더에 팬을 놓습니다. 가열로를 천천히 비워 아르곤을 제거하고 최대 유속으로 헬륨으로 다시 채웁니다. 도가니를 배치하기 위해 퍼니스를 열 때 글로브 박스 대기에서 나오는 아르곤을 제거하기 위해 배기 리필을 최소 두 번 반복하십시오.대피 및 리필 후 15 분 동안 기다렸다가 무게를 안정시킵니다. 온도 프로그램을 사용하여 측정을 눌러 수정 실행을 실행합니다. 달리기가 끝나면 빈 도가니를 꺼냅니다.도가니에 긁힌 재료 6-8 밀리그램을 넣으십시오. 도가니에서 샘플을 칭량하고 질량을 기록한 후 밀봉 프레스를 사용하여 팬과 뚜껑을 밀봉합니다. 파일 및 열기로 이동하여 수정 실행 파일을 엽니다.빠른 정의 탭에서 보정 샘플을 측정 유형으로 선택합니다. 샘플의 이름과 가중치를 작성하고 파일 이름을 선택합니다. 온도 프로그램 탭으로 이동하여 섭씨 5도의 등온 단계에 대한 FT 옵션을 활성화하고 이 두 세그먼트에 대한 FTIR 가스 모니터링을 시작하려면 섭씨 590도의 가열 세그먼트를 활성화합니다.가열 세그먼트의 GC 상자를 클릭하여 GC-MS 분석을 트리거합니다. 깔때기를 가져 와서 수은 카드뮴 텔루 라이드 검출기 포트의 Dewar에 삽입하고 액체 질소로 조심스럽게 채 웁니다. FTIR 소프트웨어를 엽니다.기본 매개 변수 탭에서 TGA라는 TG-FTIR 방법을 로드합니다. XPM. 신호 확인 탭을 클릭하여 간섭도를 확인한 다음 열 분석을 시작하기 전에 간섭도가 안정화될 때까지 기다리십시오. 진공 펌프 라인을 켜서 STA에서 FTIR 및 GC-MS로 진화된 기체 종을 끌어들입니다.펌핑 속도를 분당 약 60 밀리리터의 안정적인 흐름으로 조정하십시오. GC-MS 소프트웨어에서 분석법을 로드한 후 메소드 실행을 클릭하고 샘플 이름과 데이터 파일 이름을 입력한 다음 확인을 클릭하고 메소드 실행을 클릭합니다. STA 소프트웨어에서 온도 프로그램, 가스 흐름을 확인하고 GC-MS 및 FTIR 옵션이 사용으로 설정되어 있는지 확인합니다.마지막 항목 탭으로 이동하여 STA 및 FTIR 데이터에 대한 샘플에 파일 이름을 지정합니다. 측정을 누르고 FTIR 연결 시작을 클릭하여 STA 소프트웨어와 FTIR 소프트웨어 간의 연결을 설정합니다. 연결이 설정되면 용기 표시를 클릭하여 저울을 0으로 설정하고 초기 가스 설정을 선택하여 가스 흐름을 확인한 다음 시작 버튼을 눌러 실행을 시작합니다.NMC 111 흑연 전기 화학 전지의 방전 곡선은 50 밀리 볼트의 양극 전위를 보여 주며 이는 리튬 도금이 없음을 확인합니다. 양극 재료의 열분해 프로파일은 질량 손실이나 가스 생성없이 영역 1에서 날카로운 흡열 피크를 나타 냈습니다. 영역 2는 최소한의 가스 발생 및 질량 손실 외에도 광범위한 DSC 열 분해를 보여줍니다.이산화탄소 배출은 섭씨 100도 부근에서 볼 수 있지만 섭씨 150도 이전에는 떨어지고 탄산 에틸렌은 섭씨 150도 근처에서 증발하기 시작합니다. 영역 3은 상당한 질량 손실, 가스 발생 및 발열을 나타냈으며 날카로운 발열 피크로 나타났습니다. 이산화탄소, 에틸렌 카보네이트, 삼 불화 인 및 에틸렌이 검출되었습니다.영역 4는 작고 부분적으로 겹치는 피크로 열 방출량이 감소하고 에틸렌의 가스 흔적으로 인한 약간의 질량 손실이 관찰되었으며 에탄, 메탄 및 프로필렌이 관찰되었습니다. 가열 속도가 증가하면 최대 피크 온도가 더 낮은 값으로 이동하는 피크 1을 제외하고 피크 온도가 높아졌습니다. 피크 2 및 피크 3의 키신저 플롯을 사용하여 운동 파라미터를 계산했습니다.재현성은 전기화학 설비를 조립할 때와 열 분석을 위해 셀을 열 때 가장 중요합니다. 따라서 동일한 연산자에 의한 여러 번의 반복과 동일한 단계를 따라야 합니다. SEM-EDX 또는 XRD와 같은 다른 분석 기술은 배터리 재료의 화학적 조성에 대한 더 깊은 통찰력을 제공할 수 있으며 다양한 환경 또는 전기화학적 조건에 노출될 때 변화를 보여줄 수 있습니다.이 기술은 연구자가 적절한 샘플 준비를 보장하면서 매우 체계적인 방식으로 배터리 재료의 열 특성을 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다.

identification-quantification-decomposition-mechanisms-lithium-ion

Research

연구

JoVE Journal

Chemistry

화학

Identification and Quantification of decomposition mechanisms in lithium-ion batteries(리튬 이온 배터리의 분해 메커니즘의 식별 및 정량화); Thermal Runaway 모델링을 위한 Heat Flow Simulation에 입력

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고성능 액체 크로마토 그래피 결합 흐름 섬광에 의한 방사성 표지 및 Phosphoinositides의 세포 수준의 정량화

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