Laboratorie- och industrilösningar stöder utveckling och produktion av litiumjonbatterier, från komponenttestning till slutlig kvalitetskontroll av batterier.
 |
Innovativa analytiska lösningar för termisk analys kan användas för att testa enskilda batterikomponenter, som anod/katodelektrodmaterial, separatorer, elektrolyter med mera. Kritiska verktyg för att undersöka batteriers termiska stabilitet, exoterma reaktioner och entalpier inkluderar differentiell skanningskalorimetri (DSC),termogravimetri (TGA),termomekanisk analys (TMA) och dynamisk mekanisk analys (DMA).
Risker i samband med termisk rusning, såsom överhettning och eventuell explosion, är särskilt viktiga för användning av litiumjonbatterier (LIB) i elfordonsapplikationer. Batterisäkerhet är en nyckelkomponent för den fortsatta användningen av batteriteknik i vår vardag.
Denna applikationsguide ger en översikt över litiumjonbatteriteknik och visar hur olika termiska analystekniker kan användas för en mängd FoU- och QC-applikationer.
Följande programexempel tillhandahålls:
- Termisk stabilitet hos LiFePO4 katodmaterial i elektrolyt
- Karakterisering av en elektrolytblandning
- Analys av mikroporösa separatorer med TGA och TMA
- Kvalitetskontroll av PVDF med TGA och DSC
- Omvandling av grafenoxid till grafen (anodmaterial)
Vanliga tillämpningar för termiska analystekniker för batterikomponenter
 |
För att få mer information om nedbrytningskomponenter från ett enda experiment kan en METTLER TOLEDO TGA eller TGA/DSC avstavas till ett lämpligt gasanalyssystem. Det nya systemet kan nu utföra utvecklad gasanalys (EGA). En TGA kan anslutas till en Fouriertransform infraröd spektroskopi, masspektroskopi, gaskromatografi-masspektroskopi eller mikrogaskromatografi-masspektroskopi (respektive FTIR-spektroskopi, MS, GC/MS; Micro GC(/MS).
Grundläggande arbetsprincip för ett Li-ion-batteri
LIB består av en positiv elektrod (katod), negativ elektrod (anod) och elektrolytisk lösning. När cellen laddas oxideras katoden (vanligtvis litiumkoboltoxid) och anoden (vanligtvis grafit) reduceras. När cellen laddas ur inträffar det omvända. Li+-jonerna deltar inte i den övergripande elektrokemiska reaktionen och förblir i oxiderat tillstånd. De färdas mellan anoden och katoden genom diffusion genom en flytande elektrolyt bestående av organiska lösningsmedel, litiumsalter och olika tillsatser. Separatorn säkerställer att anoden och katoden hålls elektriskt isolerade men är tillräckligt porös för att elektrolyt- och Li+-jonerna lätt ska kunna passera genom den.
Elektroder (anoder och katoder)
Elektrodernas prestanda och säkerhet påverkas till stor del av laddnings-/urladdningsinducerad åldring och nedbrytning av katodaktivt material. Termiska analystekniker ger exakta mätningar för värmekapacitet, nedbrytningstemperaturer och entalpibestämning och är grundläggande hjälpmedel i termiska stabilitetsstudier.
Batteriavskiljare
Separatorer för litiumjonbatterier har en avgörande inverkan på batteriets prestanda och livslängd, samt tillförlitlighet och säkerhet. De måste vara tunna för att Li+-joner ska kunna röra sig snabbt mellan anoden och katoden, men separatorns strukturella integritet är viktig eftersom dess nedbrytning kan leda till en intern kortslutning.
Termisk analys används för att karakterisera de termiska egenskaperna hos separatorer, vanligtvis tillverkade av polyolefiner (t.ex. PP eller PE). Tekniska begränsningar för sådana membran inkluderar penetrationsmotstånd, krympning och härdsmälta. Dessa egenskaper kan undersökas med hjälp av termogravimetri (TGA), differentiell svepkalorimetri (DSC) och termomekanisk analys (TMA).
Elektrolyter
Differentiell skanningskalorimetri (DSC) kan användas i QC för att studera sammansättningen och innehållet av karbonater i elektrolytiska lösningar, vilket har viktiga konsekvenser för cyklingsstabiliteten, energitätheten och säkerheten hos litiumjonbatterier. DSC ger också information om elektrolytsmältning och kristallisation för bestämning av minimitemperaturerna för laddnings-/urladdningsprocesser.
