identifisering og kvantifisering av dekomponeringsmekanismer i litiumionbatterier; Input til varmestrømsimulering for modellering av termisk løping

Denne metoden kan bidra til å identifisere termisk nedbrytningsmekanisme og termiske egenskaper til batterielektronmaterialer. Dette muliggjør en videre forståelse av en termisk løpsk hendelse i en enkelt celle. Fra denne protokollen ble termiske egenskaper til batterimaterialer avledet mer nøyaktig ved å sikre medfødte forhold fra prøvepreparering til prøvelasting og ved å velge passende parametere.

Denne teknikken strekker seg mot utviklingen av en forbedret termisk modell for å simulere termisk løping i en enkelt celle. Dette gjør det mulig å vurdere batteriets sikkerhetsytelse bedre for å støtte for eksempel formulering av standarder og forskrifter. Denne metoden gir et nyttig innblikk i materialers termiske stabilitet.

Dette kan brukes til å studere andre energiske materialer som eksplosiver, drivmidler, pyroteknikk eller nye materialer. Når materialet varmes opp over tid, samles det inn flere spektra. Derfor er det viktig å knytte enhver faseovergang til de riktige GC-MS- og FTIR-spektraene.

For å begynne, ta en polymerseparatorskive med en diameter på 22 millimeter og en tykkelse på 25 mikrometer og legg den på toppen av den nederste delen av polypropylenisolasjonshylsen. Trykk forsiktig ned den øvre delen av isolasjonshylsen for å montere den og sørg for at separatoren er flat. Samle de nødvendige verktøyene og materialene for elektrokjemisk cellemontering og sett dem inn i hanskerommet.

Vei elektrodeskivene på en 4-sifret analytisk balanse og registrer verdiene for å bestemme den aktive materialbelastningen. Ta 150 mikroliter av elektrolytten med mikropipetten og legg en dråpe på separatoren som vender mot den nederste delen av isolasjonshylsen. Sett inn grafittanoden ved hjelp av vakuum pick-up pinsett, etterfulgt av det nedre stempelet.

Etter å ha vridd isolasjonshylsen, dispenser den gjenværende elektrolytten på separatoren. Bruk en vakuum pick-up pinsett, sett inn NMC-katodeskiven og plasser det øvre stempelet. Monter forsamlingen inne i cellekjernedelen.

Plasser O-ringen før du fester alt sammen med boltklemmen. Fjern den elektrokjemiske cellen fra hanskerommet og plasser den inne i temperaturkammeret, og koble deretter til de aktuelle kablene for å koble cellen til syklisten. Kjør den elektrokjemiske syklusprosessen ved å velge filnavnet til protokollen som angir den tilsvarende strømmen for C/20 C-rate, og velg kammernummeret.

Etterpå klikker du på Start-knappen. Etter sykkeltrinnet, ta den elektrokjemiske cellen inn i hanskerommet. Demonter cellen og ta ut en elektrode, og sett deretter sammen cellen for å beskytte den gjenværende elektroden mot å tørke ut.

Vei elektroden ved hjelp av presisjonsbalansen og legg den på fersk aluminiumsfolie og brett folien. For å tørke elektroden, legg den i forkammeret for overføringshanskerom under vakuum i to timer. Når vekten har stabilisert seg ved x milligram pluss minus 0,01 milligram, legg merke til vekten av den tørkede elektroden.

Bruk pinsett og en slikkepott, skrap platen for å høste det belagte materialet for videre karakterisering. For STA-forberedelse, opprett en ny metode ved å åpne STA-programvaren og klikke på Fil, og deretter på Ny. Velg parameterne under kategorien Oppsett i vinduet Måledefinisjon.

Gå til kategorien Topptekst, og velg Korrigering for å utføre en korrigeringskjøring med en tom smeltedigel for grunnlinjekorrigering. Skriv navnet på prøven og velg filen for temperatur- og følsomhetskalibreringen som skal brukes til kjøringen. Gå til MFC-gasser og velg Helium som rensegass og beskyttelsesgass.

Lag temperaturprogrammet under kategorien Temperaturprogram for å definere oppvarmings- og kjøleprosessen. Sett strømningshastigheten til helium til 100 milliliter per minutt og 20 milliliter per minutt for henholdsvis rensing og beskyttelsesgass. Klikk på GN2 som kjølemedium og STC for prøvetemperaturkontroll for alle segmentene i temperaturprogrammet, fra det isotermiske trinnet ved 5 grader Celsius til slutten av oppvarmingssegmentet.

Gå til fanen Siste element og gi et filnavn til denne kjøringen. Bruk presisjonsbalansen og mål vekten på den tomme smeltedigelen. Skriv inn smeltedigelmassen ved siden av navnet på prøven.

Åpne sølvovnen og plasser smeltedigelen på DSC/TG-prøveholderen til STA. Evakuer ovnen sakte for å fjerne argon og fyll den på med helium med maksimal strømningshastighet. Gjenta evakueringspåfyllingen minst to ganger for å bli kvitt argonen som kommer fra hanskerommets atmosfære når du åpner ovnen for å plassere diglene.

Etter evakuering og påfylling, vent i 15 minutter for å stabilisere vekten. Bruk temperaturprogrammet til å utføre korreksjonskjøringen ved å trykke på Mål. Når løpet er ferdig, ta ut den tomme smeltedigelen.

Sett 6 til 8 milligram av det ripete materialet i smeltedigelen. Etter å ha veid prøven i smeltedigelen og registrert massen, forsegler du pannen og lokket ved hjelp av en tetningspresse. Åpne korreksjonskjøringsfilen ved å gå til Fil og Åpne.

Under Hurtigdefinisjon-fanen velger du Korrigeringseksempel som målingstype. Skriv navnet og vekten på prøven, og velg et filnavn. Gå til kategorien Temperaturprogram og aktiver FT-alternativet for det isotermiske trinnet på 5 grader Celsius og oppvarmingssegmentet til 590 grader Celsius for å starte FTIR-gassovervåking for disse to segmentene.

Klikk på GC-boksen for oppvarmingssegmentet for å utløse GC-MS-analyse. Ta en trakt, sett den inn i Dewar av kvikksølv kadmium tellurid detektorport og fyll den forsiktig med flytende nitrogen. Åpne FTIR-programvaren.

I kategorien Grunnleggende parameter laster du inn TG-FTIR-metoden kalt TGA. XPM. Kontroller interferogrammet ved å klikke på kategorien Kontroller signal, og vent deretter til interferogrammet har stabilisert seg før du starter den termiske analysen. Slå på vakuumpumpeledningen for å trekke utviklede gassformige arter fra STA til FTIR og GC-MS.

Juster pumpehastigheten til en stabil strømning, som er omtrent 60 milliliter per minutt. Etter å ha lastet metoden i GC-MS-programvaren, klikker du på Kjør metode og fyller ut eksempelnavnet og datafilnavnet, og klikker deretter OK og Kjør metode. I STA-programvaren må du kontrollere temperaturprogrammet, gasstrømmen og sørge for at GC-MS- og FTIR-alternativene er aktivert.

Gå til fanen Siste elementer og gi et filnavn til eksemplet for STA- og FTIR-dataene. Trykk på Mål og klikk på Start FTIR-tilkobling for å etablere forbindelsen mellom STA-programvare og FTIR-programvare. Når forbindelsen er opprettet, klikker du på Tare for å sette balansen på null og kontrollere gasstrømmen ved å velge Still inn innledende gasser, og trykk deretter på Start-knappen for å starte kjøringen.

Utladningskurven til NMC 111 grafitt elektrokjemisk celle viser et anodepotensial på 50 millivolt, noe som bekrefter fraværet av litiumbelegg. Den termiske nedbrytningsprofilen til anodemateriale viste en skarp endoterm topp i region 1 uten massetap eller gassdannelse. Region 2 viser en bred DSC-varmenedbrytning i tillegg til minimal gassutvikling og massetap.

Karbondioksidutslipp ses rundt 100 grader Celsius, men faller før 150 grader Celsius, mens etylenkarbonat begynner å fordampe nær 150 grader Celsius. Region 3 viste betydelig massetap, gassutvikling og varmeutvikling, vist ved en skarp eksoterm topp. Karbondioksid, etylenkarbonat, fosfortrifluorid og etylen ble detektert.

Region 4 viser en redusert mengde varmeutslipp med små, delvis overlappende topper, mindre massetap med gassspor av etylen, og etan, metan og propylen ble observert. Økte oppvarmingshastigheter resulterte i høyere topptemperatur bortsett fra topp 1, hvor maksimal topptemperatur skifter til lavere verdier. Kissinger-plott av topp 2 og topp 3 ble brukt til å beregne kinetiske parametere.

Reproduserbarhet er avgjørende når du monterer det elektrokjemiske oppsettet og når du åpner cellen for termisk analyse. Derfor er det nødvendig med flere repetisjoner av samme operatør og å følge identiske trinn. Andre analytiske teknikker som SEM-EDX eller XRD kan gi en dypere innsikt i den kjemiske sammensetningen av batterimaterialer, og dessuten kan den vise endringene ved eksponering for ulike miljømessige eller elektrokjemiske forhold.

Denne teknikken kan hjelpe forskere til å foreta vurdering av termiske egenskaper til batterimaterialer på en svært systematisk måte, samtidig som det sikres riktig prøvepreparering.