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

Forfatterne takker yndefuldt Marc Steen og Natalia Lebedeva for den fremragende støtte til at gennemgå og diskutere dette manuskript.

Forfatterne har intet at afsløre.

Behovet for dekarbonisering af økonomien kombineret med stigende energiefterspørgsel – som følge af den socioøkonomiske udvikling og klimaændringerne –   kræver et stort skift i energisystemet for at imødegå udfordringerne i forbindelse med global opvarmning og brændstofmangel 1,2. Rene energiteknologier såsom vindenergi og solenergi betragtes som de bedste alternativer til et fossilt domineret energisystem3; De er imidlertid intermitterende, og lagring af energi vil bidrage til at sikre kontinuiteten i energiforsyningen. Egenskaber som høj specifik energitæthed, stabil cykelydelse og effektivitet gør lithium-ion-batterier (LIB'er) lovende kandidater som elektrokemisk energilagringssystem. Omkostningerne og manglen på pålidelig drift af LIB'er kan hæmme en bredere anvendelse i elnettet i form af et stort stationært batterisystem 4,5. Et yderligere aspekt at overveje er, at kombinationen af højenergiske materialer med brandfarlige organiske opløsningsmiddelbaserede elektrolytter kan føre til farlige forhold såsom brand, frigivelse af giftige gasser og eksplosion 6,7. Derfor skal man tage fat på sikkerhedsspørgsmål i LIBs.
Siden tidlig kommercialisering blev en række ulykker i nuværende applikationer (bærbare elektroniske enheder, elbiler og hjælpekraftenhed i fly) rapporteret i nyhederne 8,9. For eksempel, på trods af produktion af høj kvalitet, sony laptop batterier hændelse 10, de to Boeing 787 hændelser11,12, Samsung Galaxy Notes 7 hændelser13 antages at ske ved interne kortslutninger i en celle. Der er udviklet tests til vurdering af sikkerhedsrisici14,15,16,17. Overopladning, overafladning, ekstern opvarmning, mekanisk misbrug og intern / ekstern kortslutning er fejlmekanismer, der vides at udløse termisk løbsk (TR)18 og er inkluderet i nogle standarder og regler. Under denne proces forekommer en række eksoterme reaktioner, der forårsager en drastisk og hurtig stigning i temperaturen. Når den genererede varme ikke kan spredes hurtigt nok, udvikler denne tilstand sig til en TR19,20. Derudover kan en enkelt celle derefter generere tilstrækkelig varme til at udløse nabocellerne, inden for et modul eller i en pakkesamling, i TR; oprettelse af en termisk udbredelse (TP) begivenhed. Afbødningsstrategier såsom øget celleafstand i et modul, brug af isoleringsmaterialer og en bestemt stil med celleforbindelsesfane har alle vist sig at bremse udbredelsesfænomenet21. Elektrolytstabiliteten og strukturstabiliteten af forskellige katodematerialer i nærværelse af elektrolyt ved forhøjet temperatur er også blevet undersøgt for at reducere sandsynligheden for TR22.
Juarez-Robles et al. viste de kombinerede virkninger af nedbrydningsmekanismerne fra langvarig cykling og overudladning på LIB-celler23. Afhængigt af udledningens sværhedsgrad blev fænomener som Li-plettering, katodepartikelkrakning, opløsning af Cu-strømopsamler, katodepartikelopløsning, dannelse af Cu- og Li-broer rapporteret som de vigtigste nedbrydningsmekanismer, der blev observeret i disse tests. Desuden undersøgte de den kombinerede effekt som følge af aldring og overopladning på en LIB-celle for at kaste lys over nedbrydningsmekanismerne24. På grund af omfanget af overprisregimet var nedbrydningsadfærd observeret for cellen kapacitetsfading, elektrolytnedbrydning, Li-plettering, delaminering af aktivt materiale, partikelkrakning og produktion af gasser. Disse kombinerede misbrugsbetingelser kan få de aktive materialer til at gennemgå eksoterme reaktioner, der kan generere tilstrækkelig varme til at starte termisk løb.
For at undgå sikkerhedsrelaterede problemer skal lithium-ion-batterier bestå flere tests defineret i forskellige standarder og forskrifter14. Imidlertid fremhæver variation i celledesign (pose, prismatisk, cylindrisk), anvendelighed af test begrænset til et bestemt niveau (celle, modul, pakke), forskellige evaluerings- og acceptkriterier defineret, behovet for at forene retningslinjer og sikkerhedskrav i standarder og forskrifter25,26,27. En pålidelig, reproducerbar og kontrollerbar metode med ensartede testbetingelser for at udløse en intern kortslutning (ISC) med efterfølgende TR sammen med ensartede evalueringskriterier er stadig under udvikling28. Desuden er der ikke en eneste aftalt protokol til vurdering af de risici, der er forbundet med forekomsten af TP i et batteri under normal drift20,25.
For at etablere en testprotokol, der simulerer et realistisk feltfejlscenarie, skal et massivt antal inputparameterkombinationer (f.eks. Cellens designparametre såsom kapacitet, overflade til volumenforhold, elektrodernes tykkelse, ISC-udløsningsmetode, placering osv.) undersøges eksperimentelt for at bestemme den bedste måde at udløse TR induceret af intern kortslutning. Dette kræver uoverkommelig laboratorieindsats og omkostninger. En alternativ tilgang består i brugen af modellering og simulering til at designe en passende udløsningsmetode. Ikke desto mindre kan 3D-termisk modellering af batterier være uoverkommeligt beregningsmæssigt dyrt i betragtning af antallet af vurderinger, der er nødvendige for at dække effekten af alle mulige kombinationer af parametre, der potentielt styrer TR induceret af en intern kortslutning.
I litteraturen er der udviklet termiske nedbrydningsmodeller til at simulere elektrokemiske reaktioner og termisk respons af forskellige typer lithium-ion-batterier under forskellige misbrugsforhold, såsom neglepenetration29, overopladning30 eller konventionel ovntest31. I et forsøg på at forstå katodematerialets stabilitet udarbejdede Parmananda et al. eksperimentelle data om accelererende hastighedskalorimeter (ARC) fra litteraturen32. De har ekstraheret kinetiske parametre fra disse data, udviklet en model til at simulere det kalorimetriske eksperiment og bruge disse kinetiske parametre til termisk stabilitetsforudsigelse af en række katodematerialer32.
I referencer 29,30,31 og talrige andre undersøgelser, en kombination af de samme modeller 33,34,35,36 ─ - der beskriver henholdsvis; varmefrigivelse fra nedbrydning af anode og fast elektrolytgrænseflade (SEI) lag; nedbrydning af katode og nedbrydning af elektrolyt ─   er blevet brugt gentagne gange i flere år som grundlag for modellering af termisk løb. Sidstnævnte er også blevet forbedret over tid, for eksempel ved at tilføje udluftningsforhold37. Denne serie af modeller blev imidlertid oprindeligt udviklet til at fange starttemperaturen på en TR og ikke til modellering af termisk løbsk sværhedsgrad.
Da termisk løbsk er en ukontrolleret termisk nedbrydning af batterikomponenter, er det yderst vigtigt at identificere nedbrydningsreaktionerne i anode og katode for at kunne designe sikrere Li-ion-battericeller og mere nøjagtige testmetoder. Til dette formål er målet med denne undersøgelse undersøgelsen af termiske nedbrydningsmekanismer i NMC (111) katode og grafitanode til udvikling af en forenklet, men tilstrækkelig nøjagtig reaktionskinetisk model, som kan bruges til simulering af TR.
Her foreslår vi brugen af koblet analytisk udstyr: Differential Scanning Calorimetry (DSC) og Thermal Gravimetric Analysis (TGA) i et enkelt simultant termisk analyseinstrument (STA). Dette udstyr er koblet til gasanalysesystemet, som består af Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR) og gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS). De bindestregede STA / FTIR / GC-MS-teknikker giver os mulighed for at erhverve en bedre forståelse af årsagerne og processerne ved termisk løbsk i en enkelt celle. Desuden vil dette hjælpe med at identificere termiske nedbrydningsprocesser. Orddeling refererer til online kombinationen af forskellige analytiske teknikker.
Opsætningen af dette specialfremstillede integrerede system er vist i figur 1. STA-udstyret, der anvendes i denne undersøgelse, er placeret inde i et handskerum, hvilket garanterer håndtering af komponenter i en beskyttende atmosfære. Sidstnævnte kobles med FTIR og GC-MS via opvarmede overførselsledninger (150 °C) for at undgå kondensering af fordampede materialer langs linjerne. Orddelingen af disse analytiske teknikker muliggør samtidig undersøgelse af termiske egenskaber og identifikation af frigivne gasser, hvilket giver information om mekanismerne i de termisk inducerede nedbrydningsreaktioner. For yderligere at reducere virkningen af uønskede kemiske reaktioner i elektroderne under prøveforberedelsen udføres prøvehåndtering og prøvebelastning inde i et argonfyldt handskerum. De adskilte elektroder skylles ikke, og der tilsættes heller ikke yderligere elektrolytter til diglen.
STA gør det muligt at identificere faseovergange under opvarmningsprocessen sammen med nøjagtig bestemmelse af temperaturer og entalpier forbundet med disse faseovergange, herunder dem uden masseændring. Kombinationen af online FTIR- og GC-MS-metoder med STA giver en kvalitativ vurdering af gasser udviklet fra prøven under dens termiske nedbrydning. Dette er nøglen til at identificere termisk inducerede reaktionsmekanismer. Faktisk tillader STA / FTIR / GC-MS-koblet system korrelering af masseændringer, varmestrøm og detekterede gasser.
FTIR og GC-MS har hver deres fordele og begrænsninger. GC-MS's høje følsomhed muliggør hurtig og nem påvisning af molekyler fra toppe med lav intensitet. Desuden supplerer FTIR-data godt oplysningerne fra medlemsstaternes frekvensmønstre for at opnå strukturel identifikation af organiske flygtige arter. FTIR er dog mindre følsom. Derudover har diatomiske molekyler, såsom H2, N2, O2, ikke et permanent dipolmoment og er ikke infrarøde aktive. Derfor kan de ikke detekteres ved hjælp af infrarød absorption. Tværtimod kan små molekyler som CO2, CO,NH3 ogH2O identificeres med en høj grad af sikkerhed38. Alt i alt gør oplysningerne fra disse komplementære metoder det muligt at få indsigt i de gasser, der udsendes under termisk karakterisering.
For at kontrollere det aktuelle tekniske niveau med hensyn til termiske nedbrydningsreaktioner identificeret for lithiumnikkel mangankoboltoxid (NMC (111)) katode, grafit (Gr) anode og 1M LiPF6 i ethylencarbonat (EC) / dimethylcarbonat (DMC) = 50/50 (v / v) elektrolyt blev der udført en litteraturgennemgang. Tabel 1, tabel 2 og tabel 3 opsummerer de vigtigste resultater.
Inden for termisk karakterisering af batterikomponenter har prøveforberedelsesmetoden en signifikant effekt på DSC-eksperimentelle resultater, da dette har indflydelse på DSC-signalet. Mange undersøgelser har rapporteret forskellige tilgange med hensyn til elektrodehåndtering. Nogle variationer inkluderer 1) ridser aktivt materiale fra elektrode uden forudgående skylning eller tilsætning af ekstra mængde elektrolyt, f.eks. 54,55; 2) skylning/tørring/ridsning af aktivt materiale og tilsætning af en given mængde elektrolyt med det i diglen, f.eks. 55,56; 3) skylning/tørring/ridser af aktivt materiale uden tilsætning af elektrolyt på et senere tidspunkt (se f.eks. reference57). I litteraturen er der imidlertid ingen generel enighed om prøveforberedelsesteknikkerne. Vask af elektroden påvirker integriteten og reaktanterne i SEI58, som igen ændrer mængden af varme, der genereres fra dens nedbrydning 34,59. På den anden side er der ingen klar indikation eller tilstrækkelige detaljer om mængden af tilsat elektrolyt til de høstede materialer inden termisk analyse.
I dette arbejde minimeres SEI-modifikationen ved ikke at vaske elektroden og udelukke elektrolyttilsætning i et forsøg på at karakterisere elektrodematerialet i sin oprindelige tilstand, samtidig med at dets resterende elektrolytindhold bevares. I erkendelse af, at SEI termisk nedbrydning er en potentiel udløser til termisk løb, forventes denne fremstillingsmetode at give mulighed for en bedre forståelse af elektrodens termiske egenskaber under testbetingelser uden opløsning af nogle SEI-produkter. Faktisk er nedbrydningen af SEI-lag på anoden generelt den første fase af batterisvigt, der starter en selvopvarmningsproces 39,41,60.
Et andet vigtigt spørgsmål i termisk analyse er målebetingelserne (type digel, åben / lukket digel, atmosfære), der påvirker det DSC-signal, der skal måles. I dette tilfælde er anvendelsen af en hermetisk lukket smeltedigel tydeligvis ikke egnet til STA/GC-MS/FTI-teknikker med bindestreg, hvilket indebærer identifikation af udviklede gasser. I et halvlukket system kan størrelsen af åbningen i det perforerede digellåg have en stærk indflydelse på måleresultaterne. Hvis størrelsen er lille, kan de termiske data sammenlignes med en forseglet digel61. Tværtimod forventes et stort hul i låget at mindske det målte termiske signal på grund af den tidlige frigivelse af nedbrydningsprodukter ved lav temperatur. Som følge heraf ville disse arter ikke være involveret i processer med højere temperaturer61. Faktisk tillader et lukket eller halvlukket system længere opholdstid for arten, omdannet fra kondenseret til dampfase inde i diglen. Et laserskåret udluftningshul på 5 μm i digellåget er blevet udvalgt til undersøgelse af termisk opførsel og udviklede gasser af grafitanode og NMC (111) katode. I betragtning af størrelsen på det laserskårne hul antager vi, at systemet inde i diglen sandsynligvis kan skildre, en enkel, men rimelig tilnærmelse af dynamikken inde i begge, en lukket battericelle og en battericelleudluftning.
Dette værk bygger på en tidligere udgivelse af de samme forfattere48. Dette papir fokuserer imidlertid mere detaljeret på den eksperimentelle del og fremhæver fordelene ved de anvendte teknikker og testbetingelser for at nå målet med dette arbejde.
Så vidt forfatterne ved, er der begrænset forskning offentliggjort om elektrodematerialets termiske opførsel ved hjælp af den nøjagtige kombination af disse analytiske instrumenter STA / FTIR / GC-MS, analytiske parametre og prøveforberedelse / håndtering for at belyse kemiske reaktionsmekanismer på materialeniveau under termisk nedbrydning. På celleniveau undersøgte Fernandes et al. de udviklede gasser kontinuerligt ved hjælp af FTIR og GC-MS i en battericylindrisk celle, der gennemgik en overopladet misbrugstest, i et lukket kammer62. De har identificeret og kvantificeret gasserne under denne test, men forståelsen af reaktionsmekanismer er stadig uklar. For at udvikle en TR-løbsk model har Ren et al. også udført DSC-eksperimenter på materialeniveau for at beregne kinetiske tripletparametre for eksoterme reaktioner55. De har identificeret seks eksoterme processer, men reaktionsmekanismerne blev ikke bestemt, og de brugte ikke koblede gasanalyseteknikker.
På den anden side har Feng et al. foreslået en tre-trins TR-mekanisme i LIB-celle med tre karakteristiske temperaturer, der kan bruges som indekser til at vurdere termisk sikkerhed for batteri63. Til dette formål har de brugt en termisk database med data fra ARC. Ikke desto mindre gives der ikke nærmere oplysninger om de kemiske reaktioner, der ligger til grund for disse tre mekanismer.
I denne undersøgelse er de data, der opnås gennem disse termiske analysemetoder, afgørende for udviklingen af den kinetiske model, hvor de vigtigste termiske nedbrydningsprocesser skal bestemmes og beskrives korrekt. Den kinetiske termiske triplet, nemlig aktiveringsenergien, frekvensfaktoren og reaktionsvarmen, beregnes for de forskellige delprocesser, der finder sted i begge elektroder under termisk induceret nedbrydning, ved hjælp af tre forskellige opvarmningshastigheder: 5, 10 og 15 ° C / min. Når det var relevant, blev Kissinger-metoden64,65 anvendt til bestemmelse af aktiveringsenergi og frekvensfaktor efter Arrhenius-ligningen. Kissinger-metoden kan anvendes, når DSC-toppen skifter til højere temperatur med stigende opvarmningshastighed. Reaktionsentalpien opnås ved at integrere området af reaktionstopmens område målt ved DSC. Ud fra disse termiske data og måleusikkerhederne foreslås en reaktionskinetisk model til simulering af dynamikken i en termisk løb. I anden del af dette arbejde66 vil denne nyudviklede model blive brugt til at bestemme sandsynligheden for en TR-begivenhed som en funktion af parametrene for en ISC-udløsende metode.
Skemaet afbildet i figur 2 opsummerer rækkefølgen af trin, der er nødvendige for at gennemføre protokollen. Det første trin består i at samle den elektrokemiske celle med de undersøgte batterimaterialer, nemlig NMC (111)/Gr.
For at kunne høste batterimaterialerne efter elektrokemisk cykling og justering af opladningstilstand (SOC) til 100% blev der anvendt en genforseglelig elektrokemisk celle leveret af EL-CELL (ECC-PAT-Core). Dette tillod en glat celleåbningsproces uden beskadigelse af elektroderne. Når batterimaterialerne er høstet, udføres termisk karakterisering.

<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

Risiciene og mulige ulykker i forbindelse med normal brug af lithium-ion-batterier giver fortsat anledning til alvorlig bekymring. For at få en bedre forståelse af termisk løbsk (TR) blev de eksoterme nedbrydningsreaktioner i anode og katode undersøgt ved hjælp af en samtidig termisk analyse (STA) / gaskromatografi-massespektrometri (GC-MS) / Fourier Transform Infrared (FTIR) spektrometersystem. Disse teknikker tillod identifikation af reaktionsmekanismerne i hver elektrode på grund af analysen af udviklede gasformige arter, mængden af frigivet varme og massetab. Disse resultater gav indsigt i de termiske hændelser, der sker inden for et bredere temperaturområde end dækket af tidligere offentliggjorte modeller. Dette gjorde det muligt at formulere en forbedret termisk model til at skildre TR. Reaktionsvarmen, aktiveringsenergien og frekvensfaktoren (termiske trillinger) for hver større eksoterm proces på materialeniveau blev undersøgt i en lithiumnikkel-mangan-koboltoxid (NMC (111))-grafitbattericelle. Resultaterne blev analyseret, og deres kinetik blev afledt. Disse data kan bruges til at simulere den eksperimentelle varmestrøm.

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

Dette arbejde sigter mod at bestemme reaktionskinetikken for Li-ion-batterikatode og anodematerialer, der gennemgår termisk løbsk (TR). Samtidig termisk analyse (STA)/Fourier Transform Infrarød (FTIR) spektrometer/gaskromatografi massespektrometri (GC-MS) blev brugt til at afsløre termiske hændelser og til at detektere udviklede gasser.

identifikation og kvantificering af nedbrydningsmekanismer i lithium-ion-batterier; Input til varmestrømssimulering til modellering af termisk løbsk

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 ...

Denne metode kan hjælpe med at identificere termisk nedbrydningsmekanisme og termiske egenskaber ved batterielektronmaterialer. Dette muliggør en yderligere forståelse af en termisk løbsk begivenhed i en enkelt celle. Fra denne protokol blev termiske egenskaber af batterimaterialer afledt mere præcist ved at sikre medfødte forhold fra prøveforberedelse til prøvebelastning og ved at vælge parametre, der passer til formålet.Denne teknik strækker sig mod udviklingen af en forbedret termisk model til at simulere termisk løbsk i en enkelt celle. Dette giver derefter mulighed for en bedre vurdering af batteriets sikkerhedsydelse for at understøtte for eksempel formuleringen af standarder og forskrifter. Denne metode giver et nyttigt indblik i materialernes termiske stabilitet.Dette kan anvendes til at studere andre energiske materialer såsom sprængstoffer, drivmidler, pyroteknik eller nye materialer. Da materialet opvarmes over tid, indsamles flere spektre. Derfor er det vigtigt at forbinde enhver faseovergang med de korrekte GC-MS- og FTIR-spektre.Til at begynde med skal du tage en polymerseparatorskive med en diameter på 22 millimeter og en tykkelse på 25 mikrometer og placere den oven på den nederste del af polypropylenisoleringsmuffen. Tryk forsigtigt den øverste del af isoleringsmuffen ned for at samle den og sikre, at separatoren er flad. Saml de nødvendige værktøjer og materialer til elektrokemisk cellesamling og indsæt dem inde i handskerummet.Elektrodeskiverne vejes på en 4-cifret analysebalance, og værdierne registreres for at bestemme den aktive materialebelastning. Tag 150 mikroliter elektrolyt med mikropipetten og læg en dråbe på separatoren, der vender mod den nederste del af isoleringsmuffen. Indsæt grafitanoden ved hjælp af vakuumopsamlingspincetten efterfulgt af det nederste stempel.Når du har drejet isoleringsmuffen, skal du dispensere den resterende elektrolyt på separatoren. Brug en vakuumopsamlingspletning til at indsætte NMC-katodeskiven og placere det øverste stempel. Monter samlingen inde i cellekernedelen.Placer O-ringen, før du fastgør alt sammen med boltklemmen. Fjern den elektrokemiske celle fra handskerummet, og placer den inde i temperaturkammeret, og tilslut derefter de relevante kabler for at forbinde cellen med cyklisten. Kør den elektrokemiske cykelproces ved at vælge filnavnet på protokollen, der indtaster den tilsvarende strøm for C / 20 C-rate, og vælg kammernummeret.Klik derefter på Start-knappen. Efter cykeltrinnet skal du bringe den elektrokemiske celle inde i handskerummet. Demonter cellen og tag en elektrode ud, og saml derefter cellen igen for at beskytte den resterende elektrode mod udtørring.Vej elektroden ved hjælp af præcisionsbalancen, og læg den på frisk aluminiumsfolie, og fold folien. For at tørre elektroden skal du placere den i forrummet til overførselshandskerummet under vakuum i to timer. Når vægten er stabiliseret ved x milligram plus minus 0,01 milligram, skal du notere vægten af den tørrede elektrode.Brug pincet og en spatel til at ridse disken for at høste det belagte materiale til yderligere karakterisering. Til STA-forberedelse skal du oprette en ny metode ved at åbne STA-softwaren og klikke på Filer og derefter på Ny. Vælg parametrene under fanen Opsætning i vinduet Måledefinition.Gå til fanen Sidehoved, og vælg Korrektion for at udføre en korrektionskørsel med en tom digel til baselinekorrektion. Skriv navnet på prøven, og vælg filen til den temperatur- og følsomhedskalibrering, der skal bruges til kørslen. Gå til MFC-gasser, og vælg Helium som rensegas og beskyttelsesgas.Opret temperaturprogrammet under fanen Temperaturprogram for at definere opvarmnings- og køleprocessen. Indstil strømningshastigheden for helium til 100 ml i minuttet og 20 ml i minuttet for henholdsvis renselse og beskyttelsesgas. Klik på GN2 som kølemedium og STC for prøvetemperaturregulering for alle segmenter af temperaturprogrammet, startende fra det isotermiske trin ved 5 grader Celsius til slutningen af opvarmningssegmentet.Gå til fanen Sidste element, og giv et filnavn til denne kørsel. Brug præcisionsbalancen og mål vægten af den tomme digel. Indtast digelmassen ud for navnet på prøven.Åbn sølvovnen, og placer diglen på DSC/TG-prøveholderen på STA. Evakuer ovnen langsomt for at fjerne argon og genopfylde den med helium ved maksimal strømningshastighed. Gentag evakueringspåfyldningen mindst to gange for at slippe af med argonen, der kommer fra handskerummets atmosfære, når ovnen åbnes for at placere diglerne.Efter evakuering og genopfyldning skal du vente i 15 minutter for at stabilisere vægten. Brug temperaturprogrammet til at udføre korrektionen ved at trykke på Måling. Når løbet er færdigt, skal du tage den tomme digel ud.Sæt 6 til 8 milligram af det ridsede materiale i diglen. Efter vejning af prøven i diglen og registrering af massen forsegles gryden og låget ved hjælp af en tætningspresse. Åbn korrektionskørselsfilen ved at gå til Filer og Åbn.Under fanen Hurtig definition skal du vælge Korrektionseksempel som måletype. Skriv navnet og prøvens vægt, og vælg et filnavn. Gå til fanen Temperaturprogram, og aktiver FT-indstillingen for det isotermiske trin på 5 grader Celsius og opvarmningssegmentet til 590 grader Celsius for at starte FTIR-gasovervågning for disse to segmenter.Klik på GC-boksen for varmesegmentet for at udløse GC-MS-analyse. Tag en tragt, indsæt den i Dewar af kviksølv cadmium tellurid detektor port og forsigtigt fylde den med flydende nitrogen. Åbn FTIR-softwaren.På fanen Grundparameter skal du indlæse TG-FTIR-metoden kaldet TGA. XPM. Kontroller interferogrammet ved at klikke på fanen Kontroller signal, og vent derefter, indtil interferogrammet er stabiliseret, før du starter den termiske analyse. Tænd for vakuumpumpeledningen for at tegne udviklede gasformige arter fra STA til FTIR og GC-MS.Juster pumpehastigheden til et stabilt flow, som er ca. 60 ml pr. Minut. Når du har indlæst metoden i GC-MS-softwaren, skal du klikke på Kør metode og udfylde eksempelnavnet og datafilnavnet og derefter klikke på OK og Kør metode. I STA-softwaren skal du kontrollere temperaturprogrammet, gasstrømmen og sørge for, at GC-MS- og FTIR-indstillingerne er aktiveret.Gå til fanen Sidste elementer, og angiv et filnavn til eksemplet for STA- og FTIR-dataene. Tryk på Måling, og klik på Start FTIR-forbindelse for at oprette forbindelsen mellem STA-software og FTIR-software. Når forbindelsen er etableret, skal du klikke på Tare for at sætte balancen på nul og kontrollere gasstrømmen ved at vælge Indstil indledende gasser og derefter trykke på Start-knappen for at starte kørslen.Afladningskurven for NMC 111 grafit elektrokemisk celle viser et anodepotentiale på 50 millivolt, hvilket bekræfter fraværet af lithiumplettering. Den termiske nedbrydningsprofil for anodemateriale afslørede en skarp endoterm top i region 1 uden massetab eller gasgenerering. Region 2 viser en bred DSC-varmenedbrydning ud over minimal gasudvikling og massetab.Kuldioxidemission ses omkring 100 grader Celsius, men falder før 150 grader Celsius, mens ethylencarbonat begynder at fordampe nær 150 grader Celsius. Region 3 viste betydeligt massetab, gasudvikling og varmegenerering, vist ved en skarp eksoterm top. Kuldioxid, ethylencarbonat, fosfortrifluorid og ethylen blev påvist.Region 4 viser en reduceret mængde varmefrigivelse med små, delvist overlappende toppe, mindre massetab med gasspor af ethylen, og ethan, methan og propylen blev observeret. Øgede opvarmningshastigheder resulterede i højere toptemperatur undtagen spids 1, hvor den maksimale toptemperatur skifter til lavere værdier. Kissinger-plots af top 2 og top 3 blev brugt til at beregne de kinetiske parametre.Reproducerbarhed er altafgørende ved samling af den elektrokemiske opsætning og ved åbning af cellen til termisk analyse. Derfor er der brug for flere gentagelser fra den samme operatør og efter identiske trin. Andre analytiske teknikker som SEM-EDX eller XRD kan give en dybere indsigt i den kemiske sammensætning af batterimaterialer, og desuden kan den vise sine ændringer ved udsættelse for forskellige miljømæssige eller elektrokemiske forhold.Denne teknik kan hjælpe forskere med at foretage vurderingen af batterimaterialers termiske egenskaber på en meget systematisk måde, samtidig med at der sikres korrekt prøveforberedelse.

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

Anvendelse af stopped-flow fluorescens og mærkede nukleotider Analyser ATP Omsætning Cycle of 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

Diffus reflektans Infrarød Spektroskopiske Identifikation af dispergeringsmiddel / Partikel Limning Mekanismer i Funktionelle blæk

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

Optimering af syntetiske Proteiner: Identifikation af Interpositional Afhængigheder Angivelse Strukturelt og / eller funktionelt knyttet Rester

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

Radioaktiv mærkning og kvantificering af cellulære niveauer af phosphoinositider af højtryksvæskekromatografi-koblede Flow Scintillation

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

Immunofarvning phospho-epitoper i cilierede organer Whole Mount zebrafisk embryoer

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

Forberedelse biopolymer Aerogeler Brug Grønne Opløsningsmidler

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

Påvisningen og kvantificeringen af Plasmodium falciparum i vandig røde blodlegemer af svækket samlede refleksion infrarødspektroskopi og multivariat dataanalyse

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

Elemental-følsomme påvisning af kemi i batterier gennem bløde X-ray Absorption spektroskopi og Resonant uelastisk X-ray spredning

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

Kemisk syntese af porøse Barium Titanate tynd Film og termisk stabilisering af Ferroelectric fase af porøsitet-induceret stamme

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

Bio-inspirerede Polydopamine overflade ændring af Nanodiamonds og dets begrænsning af sølv nanopartikler

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