identyfikacja i kwantyfikacja mechanizmów rozkładu w akumulatorach litowo-jonowych; Dane wejściowe do symulacji przepływu ciepła w celu modelowania niekontrolowanej temperatury

Metoda ta może pomóc w identyfikacji mechanizmu rozkładu termicznego i właściwości termicznych materiałów elektronowych baterii. Umożliwia to lepsze zrozumienie zdarzenia niekontrolowanej temperatury w pojedynczej komórce. Na podstawie tego protokołu właściwości termiczne materiałów akumulatorowych zostały wyprowadzone dokładniej poprzez zapewnienie warunków wrodzonych od przygotowania próbki do jej załadowania oraz poprzez wybór parametrów dopasowanych do celu.

Technika ta ma na celu opracowanie ulepszonego modelu termicznego do symulacji niekontrolowanej temperatury w pojedynczej komórce. Pozwala to na lepszą ocenę bezpieczeństwa akumulatorów, co może na przykład pomóc w formułowaniu norm i przepisów. Ta metoda zapewnia pomocny wgląd w stabilność termiczną materiałów.

Można to zastosować do badania innych materiałów energetycznych, takich jak materiały wybuchowe, materiały pędne, pirotechnika lub materiały nowatorskie. Ponieważ materiał jest podgrzewany w czasie, zbieranych jest wiele widm. Dlatego ważne jest, aby powiązać każde przejście fazowe z prawidłowymi widmami GC-MS i FTIR.

Aby rozpocząć, weź polimerową tarczę separatora o średnicy 22 milimetrów i grubości 25 mikrometrów i umieść ją na dolnej części polipropylenowej tulei izolacyjnej. Ostrożnie dociśnij górną część tulei izolacyjnej, aby ją zmontować i upewnij się, że separator jest płaski. Zbierz niezbędne narzędzia i materiały do montażu ogniwa elektrochemicznego i włóż je do schowka na rękawiczki.

Zważyć krążki elektrod na 4-cyfrowej wadze analitycznej i zapisać wartości, aby określić obciążenie materiałem aktywnym. Weź 150 mikrolitrów elektrolitu za pomocą mikropipety i nałóż kroplę na separator skierowany w stronę dolnej części tulei izolacyjnej. Włóż anodę grafitową za pomocą pęsety próżniowej, a następnie dolnego tłoka.

Po obróceniu tulei izolacyjnej należy dozować pozostały elektrolit na separator. Za pomocą pęsety próżniowej włóż krążek katodowy NMC i umieść górny tłok. Zamontuj zespół wewnątrz części rdzenia ogniwa.

Umieść O-ring przed zamocowaniem wszystkiego razem ze śrubą clamp. Wyjmij ogniwo elektrochemiczne ze schowka i umieść je w komorze temperaturowej, a następnie podłącz odpowiednie, aby podłączyć ogniwo do cyklera. Uruchom proces cykli elektrochemicznych, wybierając file nazwa protokołu, wprowadzając odpowiedni prąd dla C/20 C-rate i wybierz numer komory.

Następnie kliknij przycisk Start. Po etapie jazdy na rowerze przenieś ogniwo elektrochemiczne do schowka na rękawiczki. Zdemontuj ogniwo i wyjmij jedną elektrodę, a następnie ponownie zmontuj ogniwo, aby zabezpieczyć pozostałą elektrodę przed wyschnięciem.

Zważ elektrodę za pomocą wagi precyzyjnej, umieść ją na świeżej folii aluminiowej i złóż folię. Aby wysuszyć elektrodę, umieść ją w przedkomorze komory rękawicowej pod próżnią na dwie godziny. Gdy masa ustabilizuje się na poziomie x miligram plus minus 0,01 miligrama, zanotuj masę wysuszonej elektrody.

Za pomocą pęsety i szpatułki zdrap krążek, aby zebrać pokryty materiał w celu dalszej charakteryzacji. Aby przygotować STA, utwórz nową metodę, otwierając oprogramowanie STA i klikając Plik, a następnie Nowy. Wybierz parametry na karcie Ustawienia w oknie Definicja pomiaru.

Przejdź do karty Nagłówek i wybierz opcję Korekta, aby wykonać przebieg korekcji z pustym tyglem do korekcji linii bazowej. Wpisz nazwę próbki i wybierz plik do kalibracji temperatury i czułości, który ma być używany podczas przebiegu. Przejdź do sekcji Gazy MFC i wybierz Hel jako gaz płuczący i gaz ochronny.

Utwórz program temperatury na karcie Program temperatury, aby zdefiniować proces ogrzewania i chłodzenia. Ustaw natężenie przepływu helu na 100 mililitrów na minutę i 20 mililitrów na minutę odpowiednio dla gazu przedmuchującego i ochronnego. Kliknij GN2 jako czynnik chłodzący i STC, aby kontrolować temperaturę próbki dla wszystkich segmentów programu temperatury, zaczynając od kroku izotermicznego w temperaturze 5 stopni Celsjusza do końca segmentu grzewczego.

Przejdź do zakładki Ostatni element i nadaj nazwę pliku temu przebiegowi. Użyj wagi precyzyjnej i zmierz masę pustego tygla. Wpisać masę tygla obok nazwy próbki.

Otwórz srebrny piec i umieść tygiel na uchwycie próbki DSC/TG STA. Powoli opróżnij piec, aby usunąć argon i napełnić go helem przy maksymalnym natężeniu przepływu. Powtórzyć napełnianie ewakuacyjne co najmniej dwa razy, aby pozbyć się argonu pochodzącego z atmosfery komory rękawicowej podczas otwierania pieca w celu umieszczenia tygli.

Po opróżnieniu i ponownym napełnieniu odczekaj 15 minut, aby ustabilizować wagę. Korzystając z programu temperatury, wykonaj przebieg korekcji, naciskając Zmierz. Po zakończeniu cyklu wyjmij pusty tygiel.

Umieścić 6 do 8 miligramów porysowanego materiału w tyglu. Po zważeniu próbki w tyglu i zarejestrowaniu masy, zamknąć szalkę i pokrywkę za pomocą prasy uszczelniającej. Otwórz plik uruchomienia korekty, przechodząc do Plik i otwórz.

Na karcie Fast Definition (Szybka definicja) wybierz opcję Correction Sample (Próbka korekcyjna) jako typ pomiaru. Wpisz nazwę i masę próbki, a następnie wybierz nazwę pliku. Przejdź do zakładki Program temperatury i aktywuj opcję FT dla kroku izotermicznego 5 stopni Celsjusza i segmentu grzewczego do 590 stopni Celsjusza w celu uruchomienia monitoringu gazu FTIR dla tych dwóch segmentów.

Kliknij pole GC dla segmentu grzewczego, aby uruchomić analizę GC-MS. Weź lejek, włóż go do Dewara portu detektora tellurku rtęciowo-kadmowego i ostrożnie napełnij go ciekłym azotem. Otwórz oprogramowanie FTIR.

Na karcie Parametr podstawowy załaduj metodę TG-FTIR o nazwie TGA. Konsola XPM. Sprawdź interferogram, klikając zakładkę Sprawdź sygnał, a następnie poczekaj, aż interferogram się ustabilizuje, zanim rozpoczniesz analizę termiczną. Włącz linię pompy próżniowej, aby pobrać wydzielające się formy gazowe z STA do FTIR i GC-MS.

Dostosuj szybkość pompowania do stabilnego przepływu, który wynosi około 60 mililitrów na minutę. Po załadowaniu metody do oprogramowania GC-MS kliknij Uruchom metodę i wypełnij nazwę próbki oraz nazwę pliku danych, a następnie kliknij OK i Uruchom metodę. W oprogramowaniu STA sprawdź program temperatury, przepływ gazu i upewnij się, że opcje GC-MS i FTIR są włączone.

Przejdź do zakładki Last Items (Ostatnie elementy) i nadaj nazwę pliku próbce dla danych STA i FTIR. Naciśnij przycisk Measure (Pomiar) i kliknij przycisk Start FTIR Connection (Rozpocznij połączenie FTIR), aby nawiązać połączenie między oprogramowaniem STA a oprogramowaniem FTIR. Po nawiązaniu połączenia kliknij Tara, aby wyzerować saldo i sprawdź przepływ gazu, wybierając Ustaw gazy początkowe, a następnie naciśnij przycisk Start, aby rozpocząć bieg.

Krzywa rozładowania grafitowego ogniwa elektrochemicznego NMC 111 wykazuje potencjał anodowy 50 miliwoltów, co potwierdza brak galwanizacji litowej. Profil rozkładu termicznego materiału anodowego ujawnił ostry pik endotermiczny w regionie 1 bez utraty masy i wytwarzania gazu. Region 2 wykazuje szeroki rozkład ciepła DSC, a także minimalną ewolucję gazu i utratę masy.

Emisja dwutlenku węgla jest obserwowana w okolicach 100 stopni Celsjusza, ale spada przed 150 stopniami Celsjusza, podczas gdy węglan etylenu zaczyna parować w pobliżu 150 stopni Celsjusza. Region 3 wykazywał znaczną utratę masy, wydzielanie się gazu i wytwarzanie ciepła, co objawiało się ostrym szczytem egzotermicznym. Wykryto dwutlenek węgla, węglan etylenu, trifluorek fosforu i etylen.

Region 4 wykazuje zmniejszone wydzielanie ciepła z małymi, częściowo nakładającymi się pikami, niewielką utratą masy ze śladowymi śladami gazu etylenu oraz zaobserwowano etan, metan i propylen. Zwiększone tempo ogrzewania skutkowało wyższą temperaturą szczytową, z wyjątkiem szczytu 1, w którym maksymalna temperatura szczytowa zmienia się na niższe wartości. Do obliczenia parametrów kinetycznych wykorzystano wykresy Kissingera piku 2 i piku 3.

Powtarzalność ma kluczowe znaczenie podczas montażu zestawu elektrochemicznego i podczas otwierania celi do analizy termicznej. W związku z tym konieczne jest wielokrotne powtórzenie przez tego samego operatora i wykonywanie identycznych kroków. Inne techniki analityczne, takie jak SEM-EDX lub XRD, mogą zapewnić głębszy wgląd w skład chemiczny materiałów akumulatorowych, a ponadto mogą pokazać jego zmiany pod wpływem różnych warunków środowiskowych lub elektrochemicznych.

Technika ta może pomóc naukowcom w bardzo systematycznym przeprowadzaniu oceny właściwości termicznych materiałów, z których wykonane są baterie, przy jednoczesnym zapewnieniu właściwego przygotowania próbki.