Name: identification and quantification of decomposition mechanisms in lithium-ion batteries; input to heat flow simulation for modeling thermal runaway
Uploaded: 2022-03-07T12:30:00
Duration: 11 min 25 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Identification and Quantification of Decomposition Mechanisms in Lithium-Ion Batteries; Input to Heat Flow Simulation for Modeling Thermal Runaway at JoVE.com

يشكر المؤلفون برشاقة مارك ستين وناتاليا ليبيديفا على الدعم الممتاز لمراجعة هذه المخطوطة ومناقشتها.

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Glove box MB 200B</td>
			<td>MBraun</td>
			<td></td>
			<td>Glove box filled with argon to ensure inert atmosphere.&#160; H2O &#60; 0.1 ppm; O2 &#60; 0.1 ppm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160;STA 449 F3 Jupiter&#174;</td>
			<td>Netzsch</td>
			<td></td>
			<td>Simultaneous Thermal Analysis for thermal characterization. The STA equipment is located inside the glove box. Type of furnace used: silver</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agilent 7820A GC- Agilent 5977E MS</td>
			<td>Agilent</td>
			<td></td>
			<td>Gas Chromatograph equipped with an quadrupole Mass Spectrometer. GC-MS is coupled to STA via heated lines in order to identify the released gases during thermal characterization</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bruker Vertex 70 V FTIR</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>&#160;Fourier Transform Infrared spectrometer equipped with a TG-IR box. FTIR is coupled to STA via heated lines in order to identify the released gases during thermal characterization</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>18mm graphite electrode disc</td>
			<td>Customcell</td>
			<td>363586011</td>
			<td>graphite electrode disc with an area capacity of 2.24 mAh.cm-2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>18mm NMC (111) electrode disc</td>
			<td>Customcell</td>
			<td>363662011</td>
			<td>LiNiMnCoO2 electrode disc with stochiometry ratio 111 and an area capacity of 2.0 mAh.cm-2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1.0 M LiPF6 in EC/DMC=50/50 (v/v)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>746711-100ML</td>
			<td>Electrolyte</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160;2325 trilayer film separator</td>
			<td>Celgard&#174;</td>
			<td></td>
			<td>Film separator. 22 mm diameter discs should be cut from the film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High precision cutting pliers</td>
			<td>EL Cell</td>
			<td></td>
			<td>1) Used in paragraph 2 for cutting with a fixed 18 mm diameter the bare copper and aluminum foils (non-coated). These current collectors were bought from the same supplier as for the elecrode discs 2) Used for cutting 22 mm diameter Cegard separator discs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECC-PAT-Core (2014 version) kit using: a) reusable stainless steel (SS) upper plunger, b) reusable SS lower plunger of type 50 (size in &#181;m), c) single-use PP insulation sleeves</td>
			<td>&#160;EL Cell</td>
			<td></td>
			<td>Electrochemical cell assembly</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#160;Maccor Series 4000</td>
			<td>Maccor</td>
			<td></td>
			<td>Battery cycler. It was used to cycle 2 times the electrochemical cell and to adjust afterwards the SOC to 100%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>aluminum crucibles with 5 &#181;m laser-pierced lid</td>
			<td>Netzsch</td>
			<td>6.239.2-64.81.00</td>
			<td>Crucible used for the thermal analysis and identification of released gases from cycled electrode material (graphite anode or NMC (111) cathode)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Precision balance AE240&#160; type AE240-S inside Glove box</td>
			<td>Mettler Toledo</td>
			<td></td>
			<td>Battery materials are measured at &#181;g precision</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analogue digital multimeter ABB model MetraWatt M2005</td>
			<td>Gossen MetraWatt</td>
			<td></td>
			<td>Used to measure of the freshly assembled electrochemical cell in paragraph 1.2.6</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

identification and quantification of decomposition mechanisms in lithium-ion batteries; input to heat flow simulation for modeling thermal runaway

لا تزال المخاطر والحوادث المحتملة المتعلقة بالاستخدام العادي لبطاريات الليثيوم أيون مصدر قلق بالغ. من أجل الحصول على فهم أفضل للهروب الحراري (TR) ، تمت دراسة تفاعلات التحلل الطارد للحرارة في الأنود والكاثود ، باستخدام التحليل الحراري المتزامن (STA) / كروماتوغرافيا الغاز - مطياف الكتلة (GC-MS) / نظام مطياف تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR). سمحت هذه التقنيات بتحديد آليات التفاعل في كل قطب كهربائي ، بسبب تحليل الأنواع الغازية المتطورة ، وكمية الحرارة المنبعثة وفقدان الكتلة. قدمت هذه النتائج نظرة ثاقبة للأحداث الحرارية التي تحدث ضمن نطاق درجة حرارة أوسع مما تمت تغطيته في النماذج المنشورة سابقا. سمح ذلك بصياغة نموذج حراري محسن لتصوير TR. تم فحص حرارة التفاعل وطاقة التنشيط وعامل التردد (ثلاثة توائم حرارية) لكل عملية طاردة للحرارة رئيسية على مستوى المادة في خلية بطارية ليثيوم نيكل - منغنيز - كوبالت - أكسيد (NMC (111)) - جرافيت. تم تحليل النتائج ، وتم اشتقاق حركيتها. يمكن استخدام هذه البيانات لمحاكاة تدفق الحرارة التجريبي بنجاح.

Watch this Scientific Journal Video about Identification and Quantification of Decomposition Mechanisms in Lithium-Ion Batteries; Input to Heat Flow Simulation for Modeling Thermal Runaway at JoVE.com

Identification and Quantification of Decomposition Mechanisms in Lithium-Ion Batteries; Input to Heat Flow Simulation for Modeling Thermal Runaway

يهدف هذا العمل إلى تحديد حركية التفاعل لكاثود بطارية Li-ion ومواد الأنود التي تخضع للهروب الحراري (TR). تم استخدام التحليل الحراري المتزامن (STA) / مطياف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) / قياس الطيف الكتلي لكروماتوغرافيا الغاز (GC-MS) للكشف عن الأحداث الحرارية والكشف عن الغازات المتصاعدة.

تحديد وقياس آليات التحلل في بطاريات الليثيوم أيون ؛ مدخلات لمحاكاة تدفق الحرارة لنمذجة الهروب الحراري

The risks and possible accidents related to the normal use of lithium-ion batteries remain a serious concern. In order to get a better understanding of ...

يمكن أن تساعد هذه الطريقة في تحديد آلية التحلل الحراري والخصائص الحرارية لمواد إلكترون البطارية. يتيح ذلك مزيدا من الفهم لحدث الهروب الحراري في خلية واحدة. من هذا البروتوكول ، تم اشتقاق الخصائص الحرارية لمواد البطارية بشكل أكثر دقة من خلال ضمان الظروف الفطرية من إعداد العينة إلى تحميل العينات واختيار المعلمات المناسبة للغرض.تمتد هذه التقنية نحو تطوير نموذج حراري محسن لمحاكاة الهروب الحراري في خلية واحدة. وهذا يسمح بعد ذلك بإجراء تقييم أفضل لأداء سلامة البطارية لدعم ، على سبيل المثال ، صياغة المعايير واللوائح. توفر هذه الطريقة نظرة ثاقبة مفيدة للاستقرار الحراري للمواد.يمكن تطبيق ذلك لدراسة المواد النشطة الأخرى مثل المتفجرات أو الوقود الدافع أو الألعاب النارية أو المواد الجديدة. أثناء تسخين المادة بمرور الوقت ، يتم جمع أطياف متعددة. لذلك ، من المهم ربط أي انتقال طور بأطياف GC-MS و FTIR الصحيحة.للبدء ، خذ قرص فاصل بوليمر بقطر 22 ملم وسمك 25 ميكرومتر وضعه أعلى الجزء السفلي من غلاف عزل البولي بروبلين. اضغط بحذر على الجزء العلوي من غلاف العزل لتجميعه والتأكد من أن الفاصل مسطح. اجمع الأدوات والمواد اللازمة لتجميع الخلايا الكهروكيميائية وأدخلها داخل صندوق القفازات.قم بوزن أقراص القطب على ميزان تحليلي مكون من 4 أرقام وسجل القيم لتحديد تحميل المواد النشطة. خذ 150 ميكرولتر من المنحل بالكهرباء باستخدام الماصة الدقيقة وضع قطرة على الفاصل المواجه للجزء السفلي من غلاف العزل. أدخل أنود الجرافيت بمساعدة ملقط الالتقاط الفراغي ، متبوعا بالمكبس السفلي.بعد تدوير غلاف العزل ، قم بتوزيع المنحل بالكهرباء المتبقي على الفاصل. باستخدام ملقط التقاط الفراغ ، أدخل قرص الكاثود NMC وضع المكبس العلوي. قم بتركيب التجميع داخل الجزء الأساسي للخلية.ضع الحلقة O قبل تثبيت كل شيء مع مشبك الترباس. قم بإزالة الخلية الكهروكيميائية من صندوق القفازات وضعها داخل حجرة درجة الحرارة ، ثم قم بتوصيل الكابلات المناسبة لتوصيل الخلية بالدراج. قم بتشغيل عملية التدوير الكهروكيميائية عن طريق تحديد اسم ملف البروتوكول الذي يدخل التيار المقابل لمعدل C / 20 C وحدد رقم الغرفة.بعد ذلك ، انقر فوق الزر "ابدأ". بعد خطوة ركوب الدراجات ، أحضر الخلية الكهروكيميائية داخل صندوق القفازات. قم بتفكيك الخلية وأخرج قطبا كهربائيا واحدا ، ثم أعد تجميع الخلية لحماية القطب المتبقي من الجفاف.قم بوزن القطب باستخدام الميزان الدقيق وضعه على ورق الألمنيوم الطازج وقم بطي الرقاقة. لتجفيف القطب ، ضعه في غرفة انتظار صندوق قفازات النقل تحت فراغ لمدة ساعتين. عندما يستقر الوزن عند x ملليغرام زائد ناقص 0.01 ملليغرام ، لاحظ وزن القطب المجفف.باستخدام ملاقط وملعقة ، خدش القرص لحصاد المواد المطلية لمزيد من التوصيف. لإعداد STA ، قم بإنشاء طريقة جديدة عن طريق فتح برنامج STA والنقر فوق ملف ، ثم على جديد. حدد المعلمات ضمن علامة التبويب إعداد في نافذة تعريف القياس.انتقل إلى علامة التبويب الرأس وحدد تصحيح لتنفيذ عملية تصحيح ببوتقة فارغة لتصحيح خط الأساس. اكتب اسم العينة وحدد ملف معايرة درجة الحرارة والحساسية لاستخدامها في التشغيل. انتقل إلى غازات MFC وحدد الهيليوم كغاز تطهير وغاز واقي.قم بإنشاء برنامج درجة الحرارة ضمن علامة التبويب برنامج درجة الحرارة لتحديد عملية التسخين والتبريد. اضبط معدل تدفق الهليوم على 100 ملليلتر في الدقيقة و 20 ملليلتر في الدقيقة للتطهير والغاز الواقي على التوالي. انقر فوق GN2 كوسيط تبريد و STC للتحكم في درجة حرارة العينة لجميع أجزاء برنامج درجة الحرارة ، بدءا من الخطوة متساوية الحرارة عند 5 درجات مئوية إلى نهاية جزء التسخين.انتقل إلى علامة التبويب العنصر الأخير وقم بإعطاء اسم ملف لهذا التشغيل. استخدم ميزان الدقة وقم بقياس وزن البوتقة الفارغة. أدخل كتلة البوتقة بجوار اسم العينة.افتح الفرن الفضي وضع البوتقة على حامل عينة DSC/TG الخاص ب STA. قم بإخلاء الفرن ببطء لإزالة الأرجون وإعادة تعبئته بالهيليوم بأقصى معدل تدفق. كرر إعادة ملء الإخلاء مرتين على الأقل للتخلص من الأرجون القادم من جو صندوق القفازات عند فتح الفرن لوضع البوتقات.بعد الإخلاء وإعادة التعبئة ، انتظر لمدة 15 دقيقة لتثبيت الوزن. باستخدام برنامج درجة الحرارة ، قم بتنفيذ التصحيح عن طريق الضغط على Measure. عند الانتهاء من الجري ، أخرج البوتقة الفارغة.ضع 6 إلى 8 ملليغرام من المادة المخدوشة في البوتقة. بعد وزن العينة في البوتقة وتسجيل الكتلة ، أغلق المقلاة والغطاء باستخدام مكبس مانع للتسرب. افتح ملف تشغيل التصحيح بالانتقال إلى ملف وفتح.ضمن علامة التبويب تعريف سريع، حدد عينة التصحيح كنوع قياس. اكتب اسم العينة ووزنها واختر اسم ملف. انتقل إلى علامة التبويب برنامج درجة الحرارة وقم بتنشيط خيار FT للخطوة متساوية الحرارة البالغة 5 درجات مئوية وجزء التسخين إلى 590 درجة مئوية من أجل إطلاق مراقبة غاز FTIR لهذين الجزأين.انقر فوق مربع GC لجزء التسخين لتشغيل تحليل GC-MS. خذ قمعا ، وأدخله في Dewar من منفذ كاشف تيلورايد الكادميوم الزئبقي واملأه بعناية بالنيتروجين السائل. افتح برنامج FTIR.في علامة التبويب المعلمة الأساسية ، قم بتحميل أسلوب TG-FTIR المسمى TGA. إكس بي إم. تحقق من مخطط التداخل بالنقر فوق علامة التبويب Check Signal ، ثم انتظر حتى يستقر مخطط التداخل قبل بدء التحليل الحراري. قم بتشغيل خط مضخة التفريغ لسحب الأنواع الغازية المتطورة من STA إلى FTIR و GC-MS.اضبط معدل الضخ على تدفق مستقر ، وهو حوالي 60 ملليلتر في الدقيقة. بعد تحميل الطريقة في برنامج GC-MS ، انقر فوق تشغيل الطريقة واملأ اسم العينة واسم ملف البيانات ، ثم انقر فوق "موافق" و "طريقة التشغيل". في برنامج STA ، تحقق من برنامج درجة الحرارة وتدفق الغاز وتأكد من تمكين خيارات GC-MS و FTIR.انتقل إلى علامة التبويب العناصر الأخيرة وقم بإعطاء اسم ملف للنموذج لبيانات STA و FTIR. اضغط على Measure وانقر فوق بدء اتصال FTIR لإنشاء الاتصال بين برنامج STA وبرنامج FTIR. بمجرد إنشاء الاتصال ، انقر فوق Tare لوضع الرصيد عند الصفر والتحقق من تدفق الغاز عن طريق تحديد تعيين الغازات الأولية ، ثم اضغط على زر البدء لبدء التشغيل.يظهر منحنى التفريغ لخلية الجرافيت الكهروكيميائية NMC 111 إمكانات أنود تبلغ 50 مللي فولت ، مما يؤكد عدم وجود طلاء الليثيوم. كشف ملف التحلل الحراري لمادة الأنود عن ذروة ماصة للحرارة حادة في المنطقة 1 مع عدم وجود فقد للكتلة أو توليد غاز. تظهر المنطقة 2 تحللا حراريا واسعا في كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) بالإضافة إلى الحد الأدنى من تطور الغاز وفقدان الكتلة.يلاحظ انبعاث ثاني أكسيد الكربون حوالي 100 درجة مئوية ، لكنه ينخفض قبل 150 درجة مئوية ، بينما تبدأ كربونات الإيثيلين في التبخر بالقرب من 150 درجة مئوية. أظهرت المنطقة 3 فقدانا كبيرا في الكتلة ، وتطور الغاز ، وتوليد الحرارة ، كما يتضح من ذروة طاردة للحرارة حادة. تم الكشف عن ثاني أكسيد الكربون وكربونات الإيثيلين وثلاثي فلوريد الفوسفور والإيثيلين.تظهر المنطقة 4 انخفاضا في كمية إطلاق الحرارة مع قمم صغيرة متداخلة جزئيا ، وفقدان طفيف للكتلة مع آثار غاز الإيثيلين ، ولوحظ الإيثان والميثان والبروبيلين. أدت زيادة معدلات التسخين إلى ارتفاع درجة حرارة الذروة باستثناء الذروة 1 ، حيث تتحول درجة الحرارة القصوى للذروة إلى قيم أقل. تم استخدام مخططات كيسنجر للذروة 2 والذروة 3 لحساب المعلمات الحركية.تعد قابلية التكرار أمرا بالغ الأهمية عند تجميع الإعداد الكهروكيميائي وعند فتح الخلية للتحليل الحراري. لذلك ، هناك حاجة إلى تكرار متعدد من قبل نفس المشغل واتباع خطوات متطابقة. يمكن أن توفر التقنيات التحليلية الأخرى مثل SEM-EDX أو XRD نظرة أعمق على التركيب الكيميائي لمواد البطارية ، وعلاوة على ذلك ، يمكنها إظهار تغييراتها عند التعرض لظروف بيئية أو كهروكيميائية مختلفة.يمكن أن تساعد هذه التقنية الباحثين على إجراء تقييم للخصائص الحرارية لمواد البطارية بطريقة منهجية للغاية ، مع ضمان إعداد العينات بشكل صحيح.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Chemistry

Unit 1

Energy Storage Elements

SCIENTISTS IN ACTION

Use of Stopped-Flow Fluorescence and Labeled Nucleotides to Analyze the ATP Turnover Cycle of Kinesins

استخدام توقف تدفق الإسفار وإعتبر النيوكليوتيدات لتحليل دورة دوران اعبي التنس المحترفين من Kinesins

The kinesin superfamily of microtubule associated motor proteins share a characteristic motor domain which both hydrolyses ATP and binds microtubules. ...

Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopic Identification of Dispersant/Particle Bonding Mechanisms in Functional Inks

نشر الانعكاس الطيفي بالأشعة تحت الحمراء تحديد مشتتة / الجسيمات الربط آليات في الأحبار وظيفية

In additive manufacturing, or 3D printing, material is deposited drop by drop, to create micron to macroscale layers.  A typical inkjet ink is a colloidal ...

Optimization of Synthetic Proteins: Identification of Interpositional Dependencies Indicating Structurally and/or Functionally Linked Residues

الاستفادة المثلى من البروتينات التركيبية: تحديد فصل بين التبعيات مبينا هيكليا و / أو بقايا المرتبطة وظيفيا

Protein alignments are commonly used to evaluate the similarity of protein residues, and the derived consensus sequence used for identifying functional ...

Radiolabeling and Quantification of Cellular Levels of Phosphoinositides by High Performance Liquid Chromatography-coupled Flow Scintillation

Radiolabeling والكمي لمستويات الخلايا من Phosphoinositides التي كتبها التلألؤ تدفق عالية الأداء اللوني السائل الديناميكي

Phosphoinositides (PtdInsPs) are essential signaling lipids responsible for recruiting specific effectors and conferring organelles with molecular ...

Immunostaining Phospho-epitopes in Ciliated Organs of Whole Mount Zebrafish Embryos

المناعية الفوسفات-الحواتم في مهدبة هيئات الجامع جبل الزرد الأجنة

The rapid proliferation of cells, the tissue-specific expression of genes and the emergence of signaling networks characterize early embryonic development ...

Preparation of Biopolymer Aerogels Using Green Solvents

إعداد BIOPOLYMER Aerogels عن طريق المذيبات الخضراء

Although the first reports on aerogels made by Kistler1 in the 1930s dealt with aerogels from both inorganic oxides (silica and others) and biopolymers ...

Detection and Quantification of Plasmodium falciparum in Aqueous Red Blood Cells by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy and Multivariate Data Analysis

Detection and Quantification of Plasmodium falciparum in Aqueous Red Blood Cells by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy and Multivariate Data Analysis

الكشف والتحديد الكمي المنجلية في "مائي خلايا الدم الحمراء" بتخفيف مجموع انعكاس الأشعة تحت الحمراء الطيفي وتحليل البيانات متغير

We demonstrate a method of quantification and detection of parasites in aqueous red blood cells (RBCs) by using a simple benchtop Attenuated Total ...

Elemental-sensitive Detection of the Chemistry in Batteries through Soft X-ray Absorption Spectroscopy and Resonant Inelastic X-ray Scattering

الكشف عن عنصري المراعية لمادة الكيمياء في البطاريات عن طريق التحليل الطيفي امتصاص الأشعة السينية اللينة، وتبعثر الأشعة السينية غير مرن رنانة

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid ...

Chemical Synthesis of Porous Barium Titanate Thin Film and Thermal Stabilization of Ferroelectric Phase by Porosity-Induced Strain

التوليف الكيميائي الفيلم رقيقة تيتانات باريوم المسامية والاستقرار الحراري للمرحلة فيرويليكتريك من الإجهاد الناجم عن المسامية

Barium titanate (BaTiO3, hereafter BT) is an established ferroelectric material first discovered in the 1940s and still widely used because of its ...

Bio-inspired Polydopamine Surface Modification of Nanodiamonds and Its Reduction of Silver Nanoparticles

تعديل سطح بوليدوباميني المستوحاة من السيرة الذاتية نانودياموندس والحد منه من جسيمات فضة نانوية

Surface functionalization of nanodiamonds (NDs) is still challenging due to the diversity of functional groups on the ND surfaces. Here, we demonstrate a ...