Identificatie en kwantificering van ontledingsmechanismen in lithium-ionbatterijen; Input to Heat Flow Simulation voor het modelleren van thermal runaway

Deze methode kan helpen bij het identificeren van thermische ontledingsmechanisme en thermische eigenschappen van batterij-elektronenmaterialen. Dit maakt een verder begrip mogelijk van een thermische op hol geslagen gebeurtenis in een enkele cel. Uit dit protocol werden de thermische eigenschappen van batterijmaterialen nauwkeuriger afgeleid door te zorgen voor aangeboren omstandigheden van monstervoorbereiding tot het laden van monsters en door geschikte parameters te selecteren.

Deze techniek strekt zich uit tot de ontwikkeling van een verbeterd thermisch model om thermische runaway in een enkele cel te simuleren. Dit maakt vervolgens een betere beoordeling van de veiligheidsprestaties van de batterij mogelijk om bijvoorbeeld de formulering van normen en voorschriften te ondersteunen. Deze methode geeft een nuttig inzicht in de thermische stabiliteit van materialen.

Dit kan worden toegepast om andere energetische materialen te bestuderen, zoals explosieven, drijfgassen, pyrotechniek of nieuwe materialen. Omdat het materiaal in de loop van de tijd wordt verwarmd, worden meerdere spectra verzameld. Daarom is het belangrijk om elke faseovergang te associëren met de juiste GC-MS- en FTIR-spectra.

Neem om te beginnen een polymeerscheiderschijf met een diameter van 22 millimeter en een dikte van 25 micrometer en plaats deze bovenop het onderste deel van de polypropyleen isolatiehuls. Druk voorzichtig het bovenste deel van de isolatiehuls naar beneden om deze te monteren en zorg ervoor dat de separator vlak is. Verzamel de benodigde gereedschappen en materialen voor elektrochemische celassemblage en plaats ze in het handschoenenkastje.

Weeg de elektrodeschijven op een 4-cijferige analytische balans en noteer de waarden om de actieve materiaalbelasting te bepalen. Neem 150 microliter van de elektrolyt met de micropipette en plaats een druppel op de separator tegenover het onderste deel van de isolatiehuls. Plaats de grafietanode met behulp van het vacuüm pick-up pincet, gevolgd door de onderste zuiger.

Nadat u de isolatiehuls hebt gedraaid, doseert u de resterende elektrolyt op de separator. Plaats met behulp van een vacuüm pick-up pincet de NMC kathodeschijf en plaats de bovenste zuiger. Monteer de assemblage in het celkerngedeelte.

Plaats de O-ring voordat u alles samen met de boutklem bevestigt. Verwijder de elektrochemische cel uit het handschoenenkastje en plaats deze in de temperatuurkamer en sluit vervolgens de juiste kabels aan om de cel op de cycler aan te sluiten. Voer het elektrochemische cyclusproces uit door de bestandsnaam te selecteren van het protocol dat de overeenkomstige stroom voor C/20 C-rate invoert en selecteer het kamernummer.

Klik daarna op de knop Start. Breng na de fietsstap de elektrochemische cel in het handschoenenkastje. Demonteer de cel en verwijder één elektrode en monteer de cel opnieuw om de resterende elektrode te beschermen tegen uitdroging.

Weeg de elektrode met behulp van de precisiebalans en plaats deze op verse aluminiumfolie en vouw de folie. Om de elektrode te drogen, plaatst u deze gedurende twee uur in de antichambre van het transferhandschoenkastje onder vacuüm. Wanneer het gewicht is gestabiliseerd op x milligram plus minus 0,01 milligram, let dan op het gewicht van de gedroogde elektrode.

Gebruik een pincet en een spatel om de schijf te krassen om het gecoate materiaal te oogsten voor verdere karakterisering. Voor STA-voorbereiding maakt u een nieuwe methode door de STA-software te openen en op Bestand en vervolgens op Nieuw te klikken. Selecteer de parameters op het tabblad Instellingen van het venster Metingsdefinitie.

Ga naar het tabblad Koptekst en selecteer Correctie om een correctierun uit te voeren met een lege smeltkroes voor basislijncorrectie. Schrijf de naam van het monster en selecteer het bestand voor de temperatuur- en gevoeligheidskalibratie die voor de uitvoering moet worden gebruikt. Ga naar MFC-gassen en selecteer Helium als spoelgas en beschermend gas.

Maak het temperatuurprogramma op het tabblad Temperatuurprogramma om het verwarmings- en koelproces te definiëren. Stel het debiet van helium in op respectievelijk 100 milliliter per minuut en 20 milliliter per minuut voor zuiverings- en beschermend gas. Klik op GN2 als koelmedium en STC voor monstertemperatuurregeling voor alle segmenten van het temperatuurprogramma, vanaf de isothermische stap bij 5 graden Celsius tot het einde van het verwarmingssegment.

Ga naar het tabblad Laatste item en geef een bestandsnaam op aan deze uitvoering. Gebruik de precisiebalans en meet het gewicht van de lege kroes. Voer de smeltkroesmassa in naast de naam van het monster.

Open de zilveroven en plaats de kroes op de DSC/TG-monsterhouder van de STA. Evacueer de oven langzaam om argon te verwijderen en vul het bij met helium met een maximaal debiet. Herhaal de evacuatievulling minstens twee keer om het argon uit de atmosfeer van het handschoenenkastje te verwijderen bij het openen van de oven om de smeltkroezen te plaatsen.

Wacht na de evacuatie en het bijvullen 15 minuten om het gewicht te stabiliseren. Gebruik het temperatuurprogramma om de correctie uit te voeren door op Meten te drukken. Als de run klaar is, haal je de lege smeltkroes eruit.

Doe 6 tot 8 milligram van het bekraste materiaal in de kroes. Nadat u het monster in de kroes hebt gewogen en de massa hebt geregistreerd, sluit u de pan en het deksel af met een sealpers. Open het correctiebestand door naar Bestand en Openen te gaan.

Selecteer op het tabblad Snelle definitie de optie Correctievoorbeeld als metingstype. Schrijf de naam en het gewicht van het voorbeeld en kies een bestandsnaam. Ga naar het tabblad Temperatuurprogramma en activeer de FT-optie voor de isothermische stap van 5 graden Celsius en het verwarmingssegment tot 590 graden Celsius om FTIR-gasmonitoring voor deze twee segmenten te starten.

Klik op het vakje GC voor het verwarmingssegment om de GC-MS-analyse te activeren. Neem een trechter, steek deze in de Dewar van de kwikcadmiumtelluridedetectorpoort en vul deze voorzichtig met vloeibare stikstof. Open de FTIR-software.

Laad op het tabblad Basisparameter de TG-FTIR-methode met de naam TGA. XPM. Controleer het interferogram door op het tabblad Signaal controleren te klikken en wacht vervolgens tot het interferogram is gestabiliseerd voordat u de thermische analyse start. Schakel de vacuümpompleiding in om geëvolueerde gasvormige soorten van STA naar FTIR en GC-MS te trekken.

Stel de pompsnelheid in op een stabiel debiet, dat ongeveer 60 milliliter per minuut is. Nadat u de methode in de GC-MS-software hebt geladen, klikt u op Methode uitvoeren en vult u de voorbeeldnaam en de naam van het gegevensbestand in, klikt u vervolgens op OK en Methode uitvoeren. Controleer in de STA-software het temperatuurprogramma, de gasstroom en zorg ervoor dat de GC-MS- en FTIR-opties zijn ingeschakeld.

Ga naar het tabblad Laatste items en geef een bestandsnaam aan het voorbeeld voor de STA- en FTIR-gegevens. Druk op Meten en klik op FTIR-verbinding starten om de verbinding tussen STA-software en FTIR-software tot stand te brengen. Zodra de verbinding tot stand is gebracht, klikt u op Tarra om de balans op nul te zetten en controleert u de gasstroom door Initiële gassen instellen te selecteren en drukt u vervolgens op de startknop om de run te starten.

De ontladingscurve van de NMC 111 grafiet elektrochemische cel toont een anodepotentiaal van 50 millivolt, wat de afwezigheid van lithiumplating bevestigt. Het thermische ontledingsprofiel van anodemateriaal onthulde een scherpe endotherme piek in regio 1 zonder massaverlies of gasgeneratie. Regio 2 vertoont een brede DSC-warmteafbraak naast minimale gasevolutie en massaverlies.

De uitstoot van koolstofdioxide wordt gezien rond de 100 graden Celsius, maar daalt vóór 150 graden Celsius, terwijl ethyleencarbonaat begint te verdampen in de buurt van 150 graden Celsius. Regio 3 vertoonde een aanzienlijk massaverlies, gasevolutie en warmteontwikkeling, wat blijkt uit een scherpe exotherme piek. Koolstofdioxide, ethyleencarbonaat, fosfortrifluoride en ethyleen werden gedetecteerd.

Regio 4 toont een verminderde hoeveelheid warmteafgifte met kleine, deels overlappende pieken, klein massaverlies met gassporen van ethyleen en ethaan, methaan en propyleen werd waargenomen. Verhoogde verwarmingssnelheden resulteerden in een hogere piektemperatuur, behalve voor piek 1, waar de maximale piektemperatuur verschuift naar lagere waarden. Kissinger-plots van piek 2 en piek 3 werden gebruikt om de kinetische parameters te berekenen.

Reproduceerbaarheid is van het grootste belang bij het samenstellen van de elektrochemische opstelling en bij het openen van de cel voor thermische analyse. Daarom zijn meerdere herhalingen door dezelfde operator en het volgen van identieke stappen nodig. Andere analytische technieken zoals SEM-EDX of XRD kunnen een dieper inzicht geven in de chemische samenstelling van batterijmaterialen, en bovendien kan het zijn veranderingen laten zien bij blootstelling aan verschillende omgevings- of elektrochemische omstandigheden.

Deze techniek kan onderzoekers helpen om de thermische eigenschappen van batterijmaterialen op een zeer systematische manier te beoordelen, terwijl ze zorgen voor een goede monstervoorbereiding.