Identificação e quantificação de mecanismos de decomposição em baterias de íons de lítio; Simulação de Entrada para Fluxo de Calor para Modelagem de Fuga Térmica

Este método pode ajudar a identificar o mecanismo de decomposição térmica e as propriedades térmicas dos materiais de elétrons da bateria. Isso permite uma compreensão mais aprofundada de um evento de fuga térmica em uma única célula. A partir deste protocolo, as propriedades térmicas dos materiais da bateria foram derivadas com mais precisão, garantindo condições inatas desde a preparação da amostra até o carregamento da amostra e selecionando parâmetros adequados à finalidade.

Esta técnica se estende para o desenvolvimento de um modelo térmico melhorado para simular o descontrole térmico em uma única célula. Isso permite, então, uma melhor avaliação do desempenho de segurança da bateria para apoiar, por exemplo, a formulação de normas e regulamentos. Este método fornece uma visão útil para a estabilidade térmica dos materiais.

Isso pode ser aplicado para estudar outros materiais energéticos, como explosivos, propulsores, pirotecnia ou novos materiais. À medida que o material está sendo aquecido ao longo do tempo, vários espectros estão sendo coletados. Portanto, é importante associar qualquer transição de fase com os espectros GC-MS e FTIR corretos.

Para começar, pegue um disco separador de polímero de diâmetro de 22 milímetros e espessura de 25 micrômetros e coloque-o em cima da parte inferior da manga de isolamento de polipropileno. Pressione cuidadosamente a parte superior da manga de isolamento para montá-la e garantir que o separador esteja plano. Reúna as ferramentas e materiais necessários para a montagem da célula eletroquímica e insira-os dentro do porta-luvas.

Pesar os discos do eléctrodo numa balança analítica de 4 dígitos e registar os valores para determinar a carga activa do material. Pegue 150 microlitros do eletrólito com a micropipeta e coloque uma gota no separador voltado para a parte inferior da manga de isolamento. Insira o ânodo de grafite com a ajuda do ezer de captação a vácuo, seguido pelo êmbolo inferior.

Depois de girar a manga de isolamento, dispense o eletrólito restante no separador. Usando um tweezer captador a vácuo, insira o disco catódico NMC e coloque o êmbolo superior. Monte o conjunto dentro da peça central da célula.

Coloque o O-ring antes de prender tudo junto com a braçadeira do parafuso. Remova a célula eletroquímica do porta-luvas e coloque-a dentro da câmara de temperatura e, em seguida, conecte os cabos apropriados para conectar a célula ao ciclador. Execute o processo de ciclagem eletroquímica selecionando o nome do arquivo do protocolo inserindo a corrente correspondente para a taxa C C/20 e selecione o número da câmara.

Depois, clique no botão Iniciar. Após a etapa de ciclismo, traga a célula eletroquímica para dentro do porta-luvas. Desmonte a célula e retire um eletrodo, em seguida, remonte a célula para proteger o eletrodo restante da secagem.

Pese o eletrodo usando a balança de precisão e coloque-o em folha de alumínio fresco e dobre a folha. Para secar o eletrodo, coloque-o na antecâmara do porta-luvas de transferência sob vácuo por duas horas. Quando o peso tiver estabilizado em x miligrama mais menos 0,01 miligrama, observe o peso do eletrodo seco.

Usando uma pinça e uma espátula, risque o disco para colher o material revestido para posterior caracterização. Para a preparação do STA, crie um novo método abrindo o software STA e clicando em Arquivo e, em seguida, em Novo. Selecione os parâmetros na guia Configuração da janela Definição de Medição.

Vá para a guia Cabeçalho e selecione Correção para executar uma execução de correção com um cadinho vazio para correção de linha de base. Escreva o nome da amostra e selecione o arquivo para a calibração de temperatura e sensibilidade a ser usada para a execução. Vá para Gases MFC e selecione Hélio como gás de purga e gás de proteção.

Crie o programa de temperatura na guia Programa de temperatura para definir o processo de aquecimento e resfriamento. Defina a taxa de fluxo de hélio para 100 mililitros por minuto e 20 mililitros por minuto para purga e gás protetor, respectivamente. Clique em GN2 como meio de resfriamento e STC para controle de temperatura da amostra para todos os segmentos do programa de temperatura, a partir da etapa isotérmica a 5 graus Celsius até o final do segmento de aquecimento.

Vá para a guia Último Item e dê um nome de arquivo a essa execução. Use a balança de precisão e meça o peso do cadinho vazio. Indicar a massa do cadinho junto ao nome da amostra.

Abra o forno de prata e coloque o cadinho no suporte de amostra DSC/TG do STA. Evacue o forno lentamente para remover o argônio e recarregue-o com hélio ao caudal máximo. Repita o refil de evacuação pelo menos duas vezes para se livrar do argônio proveniente da atmosfera do porta-luvas ao abrir o forno para colocar os cadinhos.

Após a evacuação e reabastecimento, aguarde 15 minutos para estabilizar o peso. Usando o programa de temperatura, execute a correção executada pressionando Measure. Quando a corrida terminar, retire o cadinho vazio.

Coloque 6 a 8 miligramas do material riscado no cadinho. Depois de pesar a amostra no cadinho e registar a massa, sele a panela e a tampa com uma prensa de vedação. Abra o arquivo de execução de correção indo para Arquivo e Abrir.

Na guia Definição Rápida, selecione Amostra de Correção como tipo de medição. Escreva o nome e o peso da amostra e escolha um nome de arquivo. Vá para a guia Programa de Temperatura e ative a opção FT para a etapa isotérmica de 5 graus Celsius e o segmento de aquecimento a 590 graus Celsius, a fim de iniciar o monitoramento de gás FTIR para esses dois segmentos.

Clique na caixa GC do segmento de aquecimento para acionar a análise GC-MS. Pegue um funil, insira-o no Dewar da porta do detector de telureto de cádmio de mercúrio e encha-o cuidadosamente com nitrogênio líquido. Abra o software FTIR.

Na guia Parâmetro Básico, carregue o método TG-FTIR chamado TGA. XPM. Verifique o interferograma clicando na guia Verificar sinal e, em seguida, aguarde até que o interferograma tenha se estabilizado antes de iniciar a análise térmica. Ligue a linha da bomba de vácuo para desenhar espécies gasosas evoluídas de STA para FTIR e GC-MS.

Ajuste a taxa de bombeamento para um fluxo estável, que é de aproximadamente 60 mililitros por minuto. Depois de carregar o método no software GC-MS, clique em Executar Método e preencha o nome da amostra e o nome do arquivo de dados, clique em OK e em Executar Método. No software STA, verifique o programa de temperatura, o fluxo de gás e verifique se as opções GC-MS e FTIR estão habilitadas.

Vá para a guia Últimos Itens e dê um nome de arquivo ao exemplo para os dados STA e FTIR. Pressione Measure e clique em Start FTIR Connection para estabelecer a conexão entre o software STA e o software FTIR. Uma vez que a conexão é estabelecida, clique em Tara para colocar o saldo em zero e verifique o fluxo de gás selecionando Definir Gases Iniciais e, em seguida, pressione o botão Iniciar para iniciar a corrida.

A curva de descarga da célula eletroquímica de grafite NMC 111 mostra um potencial anódico de 50 milivolts, o que confirma a ausência de revestimento de lítio. O perfil de decomposição térmica do material anódico revelou um pico endotérmico acentuado na região 1, sem perda de massa ou geração de gás. A Região 2 mostra uma ampla decomposição de calor DSC, além de uma evolução mínima do gás e perda de massa.

A emissão de dióxido de carbono é vista em torno de 100 graus Celsius, mas cai antes de 150 graus Celsius, enquanto o carbonato de etileno começa a evaporar perto de 150 graus Celsius. A Região 3 apresentou perda significativa de massa, evolução de gás e geração de calor, mostrada por um pico exotérmico acentuado. Dióxido de carbono, carbonato de etileno, trifluoreto de fósforo e etileno foram detectados.

A Região 4 mostra uma diminuição da quantidade de liberação de calor com picos pequenos, parcialmente sobrepostos, menor perda de massa com vestígios de gás de etileno e etano, metano e propileno foram observados. O aumento das taxas de aquecimento resultou em maior temperatura de pico, exceto para o pico 1, onde a temperatura máxima de pico muda para valores mais baixos. Os gráficos de Kissinger do pico 2 e pico 3 foram utilizados para o cálculo dos parâmetros cinéticos.

A reprodutibilidade é primordial ao montar a configuração eletroquímica e ao abrir a célula para análise térmica. Portanto, são necessárias várias repetições pelo mesmo operador e seguindo etapas idênticas. Outras técnicas analíticas, como SEM-EDX ou XRD, podem fornecer uma visão mais profunda sobre a composição química dos materiais da bateria e, além disso, podem mostrar suas mudanças após a exposição a várias condições ambientais ou eletroquímicas.

Esta técnica pode ajudar os pesquisadores a realizar a avaliação das propriedades térmicas dos materiais da bateria de uma maneira muito sistemática, garantindo a preparação adequada da amostra.