Laboratorium- en industriële oplossingen ondersteunen de ontwikkeling en productie van lithium-ionbatterijen: van het testen van componenten tot de uiteindelijke kwaliteitscontrole van de batterij.
 |
Innovatieve analytische oplossingen voor thermische analyse kunnen worden gebruikt om afzonderlijke batterijcomponenten te testen, zoals anode-/kathode-elektrodematerialen, separatoren, elektrolyten en meer.
Voor het onderzoeken van de thermische stabiliteit, exotherme reacties en enthalpieën van batterijen zijn onder meer differentiële scanningcalorimetrie (DSC), thermogravimetrie (TGA),thermomechanische analyse (TMA) en dynamische mechanische analyse (DMA) zeer belangrijke analysetechnieken.
Risico's als gevolg van 'thermal runaway', zoals oververhitting en mogelijke ontploffing, zijn vooral belangrijk voor het gebruik van lithium-ionbatterijen (LIB's) in EV-toepassingen. Batterijveiligheid is cruciaal voor het verder uitbreiden van het gebruik van batterijtechnologie in ons dagelijks leven.
Deze toepassingsgids geeft een overzicht van lithium-ionbatterijtechnologie en laat zien hoe verschillende thermische analysetechnieken kunnen worden gebruikt voor een groot aantal R&D- en QC-toepassingen.
De volgende toepassingsvoorbeelden worden behandeld:
- Thermische stabiliteit van LiFePO 4-kathodemateriaal in elektrolyt
- Karakterisering van een elektrolytmengsel
- Analyse van microporeuze separatoren door TGA en TMA
- Kwaliteitscontrole van PVDF door TGA en DSC
- Omzetting van grafeenoxide in grafeen (anodemateriaal)
Vaak gebruikte thermische analysetechnieken voor batterijcomponenten
 |
Om meer informatie te verkrijgen over de afbraakcomponenten van een enkel experiment, kan een TGA/DSC van METTLER TOLEDO worden gekoppeld aan een geschikt gasanalysesysteem. Het nieuwe systeem kan nu geëvolueerde gasanalyse (EGA) uitvoeren. Een TGA kan worden aangesloten op een Fouriertransformatie-infraroodspectroscopie, massaspectroscopie, gaschromatografie-massaspectroscopie of microgaschromatografie-massaspectroscopie (respectievelijk FTIR-spectroscopie, MS, GC/MS; Micro GC(/MS).
Basis werkingsprincipe van een Li-ion-batterij
LIB's bestaan uit een positieve elektrode (kathode), een negatieve elektrode (anode) en een elektrolytische oplossing. Wanneer de cel wordt opgeladen, wordt de kathode (meestal lithiumkobaltoxide) geoxideerd en wordt de anode (meestal grafiet) verkleind. Wanneer de cel ontlaadt, gebeurt het omgekeerde. De Li+-ionen nemen niet deel aan de algehele elektrochemische reactie en blijven in hun geoxideerde toestand. Ze reizen tussen de anode en de kathode door diffusie door een vloeibare elektrolyt bestaande uit organische oplosmiddelen, lithiumzouten en verschillende additieven. De separator zorgt ervoor dat de anode en kathode elektrisch geïsoleerd blijven, maar is poreus genoeg om de elektrolyt en Li+-ionen er gemakkelijk doorheen te laten.
Elektroden (anoden en kathodes)
De prestaties en veiligheid van elektroden worden grotendeels beïnvloed door door lading/ontlading veroorzaakte veroudering en degradatie van actief kathodemateriaal. Thermische analysetechnieken bieden nauwkeurige metingen van de warmtecapaciteit, ontledingstemperaturen en enthalpiebepaling en zijn fundamentele hulpmiddelen bij thermische stabiliteitsonderzoeken.
Batterij Separator
Separatoren voor Li-ion-batterijen hebben een cruciale invloed op de prestaties en levensduur van batterijen, evenals op de betrouwbaarheid en veiligheid. Ze moeten dun zijn om Li+-ionen snel tussen de anode en de kathode te laten bewegen, maar de structurele integriteit van de separator is belangrijk omdat de degradatie ervan kan leiden tot interne kortsluiting.
Thermische analyse wordt gebruikt om de thermische eigenschappen van separatoren te karakteriseren, meestal gemaakt van polyolefinen (bijv. PP of PE). Technologische beperkingen van dergelijke membranen zijn onder meer penetratieweerstand, krimp en smelten. Deze eigenschappen kunnen worden onderzocht door middel van thermogravimetrie (TGA), differentiële scanningcalorimetrie (DSC) en thermomechanische analyse (TMA).
Elektrolyten
Differentiële scanningcalorimetrie (DSC) kan in QC worden gebruikt om de samenstelling en het gehalte aan carbonaten in elektrolytische oplossingen te bestuderen, die belangrijke implicaties hebben voor de cyclusstabiliteit, energiedichtheid en veiligheid van lithium-ionbatterijen. DSC geeft ook informatie over het smelten en kristalliseren van elektrolyten voor het bepalen van de minimumtemperaturen voor laad-/ontlaadprocessen.
