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
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Les auteurs remercient gracieusement Marc Steen et Natalia Lebedeva pour l’excellent soutien qu’ils ont apporté à la révision et à la discussion de ce manuscrit.

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

<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

Les risques et les accidents possibles liés à l’utilisation normale des batteries lithium-ion restent une préoccupation sérieuse. Afin de mieux comprendre l’emballement thermique (TR), les réactions de décomposition exothermique en anode et en cathode ont été étudiées à l’aide d’un système de spectromètre d’analyse thermique simultanée (STA)/chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS)/infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Ces techniques ont permis d’identifier les mécanismes de réaction dans chaque électrode, grâce à l’analyse des espèces gazeuses évoluées, de la quantité de chaleur dégagée et de la perte de masse. Ces résultats ont fourni un aperçu des événements thermiques se produisant dans une plage de température plus large que celle couverte dans les modèles publiés précédemment. Cela a permis la formulation d’un modèle thermique amélioré pour représenter TR. La chaleur de réaction, l’énergie d’activation et le facteur de fréquence (triplets thermiques) pour chaque processus exothermique majeur au niveau du matériau ont été étudiés dans une cellule de batterie lithium-nickel-manganèse-cobalt-oxyde (NMC (111))-graphite. Les résultats ont été analysés et leur cinétique a été dérivée. Ces données peuvent être utilisées pour simuler avec succès le flux de chaleur expérimental.

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

Ces travaux visent à déterminer la cinétique de réaction des matériaux de cathode et d’anode de batterie Li-ion subissant un emballement thermique (TR). Le spectromètre d’analyse thermique simultanée (STA)/infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et la spectrométrie de masse par chromatographie en phase gazeuse (GC-MS) ont été utilisés pour révéler des événements thermiques et détecter les gaz dégagés.

l’identification et la quantification des mécanismes de décomposition dans les batteries lithium-ion; Entrée dans la simulation de flux de chaleur pour la modélisation de l’emballement thermique

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 ...

Cette méthode peut aider à identifier le mécanisme de décomposition thermique et les propriétés thermiques des matériaux électroniques de la batterie. Cela permet de mieux comprendre un emballement thermique dans une seule cellule. À partir de ce protocole, les propriétés thermiques des matériaux de batterie ont été dérivées avec plus de précision en assurant des conditions innées de la préparation de l’échantillon au chargement de l’échantillon et en sélectionnant des paramètres adaptés à l’usage.Cette technique s’étend au développement d’un modèle thermique amélioré pour simuler l’emballement thermique dans une seule cellule. Cela permet alors une meilleure évaluation des performances de sécurité des batteries pour soutenir, par exemple, la formulation de normes et de réglementations. Cette méthode fournit un aperçu utile de la stabilité thermique des matériaux.Cela peut être appliqué à l’étude d’autres matériaux énergétiques tels que les explosifs, les propulseurs, les pièces pyrotechniques ou les nouveaux matériaux. Au fur et à mesure que le matériau est chauffé au fil du temps, plusieurs spectres sont collectés. Par conséquent, il est important d’associer toute transition de phase aux spectres GC-MS et FTIR corrects.Pour commencer, prenez un disque séparateur en polymère d’un diamètre de 22 millimètres et d’une épaisseur de 25 micromètres et placez-le sur la partie inférieure du manchon isolant en polypropylène. Appuyez délicatement sur la partie supérieure du manchon isolant pour l’assembler et vous assurer que le séparateur est plat. Rassemblez les outils et les matériaux nécessaires à l’assemblage électrochimique des cellules et insérez-les dans la boîte à gants.Pesez les disques d’électrodes sur une balance analytique à 4 chiffres et notez les valeurs pour déterminer la charge de matière active. Prenez 150 microlitres d’électrolyte avec la micropipette et mettez une goutte sur le séparateur face à la partie inférieure du manchon isolant. Insérez l’anode en graphite à l’aide de la pince à épiler à vide, suivie du piston inférieur.Après avoir tourné le manchon isolant, distribuer l’électrolyte restant sur le séparateur. À l’aide d’une pince à épiler à vide, insérez le disque cathodique NMC et placez le piston supérieur. Montez l’assemblage à l’intérieur de la partie centrale de la cellule.Placez le joint torique avant de tout fixer avec la pince à boulon. Retirez la cellule électrochimique de la boîte à gants et placez-la à l’intérieur de la chambre de température, puis branchez les câbles appropriés pour connecter la cellule au cycleur. Exécutez le processus de cyclage électrochimique en sélectionnant le nom de fichier du protocole entrant le courant correspondant pour C/20 C-rate et sélectionnez le numéro de chambre.Ensuite, cliquez sur le bouton Démarrer. Après l’étape de cyclisme, amenez la cellule électrochimique à l’intérieur de la boîte à gants. Démontez la cellule et retirez une électrode, puis remontez la cellule pour protéger l’électrode restante du dessèchement.Pesez l’électrode à l’aide de la balance de précision et placez-la sur du papier d’aluminium frais et pliez la feuille. Pour sécher l’électrode, placez-la dans l’antichambre de la boîte à gants de transfert sous vide pendant deux heures. Lorsque le poids s’est stabilisé à x milligramme plus moins 0,01 milligramme, notez le poids de l’électrode séchée.À l’aide d’une pince à épiler et d’une spatule, gratter le disque pour récolter le matériau enduit pour une caractérisation plus poussée. Pour la préparation STA, créez une nouvelle méthode en ouvrant le logiciel STA et en cliquant sur Fichier, puis sur Nouveau. Sélectionnez les paramètres sous l’onglet Configuration de la fenêtre Définition de mesure.Accédez à l’onglet En-tête et sélectionnez Correction pour exécuter une exécution de correction avec un creuset vide pour la correction de ligne de base. Écrivez le nom de l’échantillon et sélectionnez le fichier pour l’étalonnage de température et de sensibilité à utiliser pour l’exécution. Allez à MFC gases et sélectionnez Helium comme gaz de purge et gaz protecteur.Créez le programme de température sous l’onglet Programme de température pour définir le processus de chauffage et de refroidissement. Réglez le débit d’hélium à 100 millilitres par minute et 20 millilitres par minute pour la purge et le gaz protecteur respectivement. Cliquez sur GN2 comme fluide de refroidissement et STC pour le contrôle de la température de l’échantillon pour tous les segments du programme de température, à partir de l’étape isotherme à 5 degrés Celsius jusqu’à la fin du segment de chauffage.Accédez à l’onglet Dernier élément et donnez un nom de fichier à cette exécution. Utilisez la balance de précision et mesurez le poids du creuset vide. Entrez la masse du creuset à côté du nom de l’échantillon.Ouvrez le four à argent et placez le creuset sur le porte-échantillon DSC/TG du STA. Évacuez lentement le four pour éliminer l’argon et remplissez-le d’hélium au débit maximal. Répétez la recharge d’évacuation au moins deux fois pour vous débarrasser de l’argon provenant de l’atmosphère de la boîte à gants lors de l’ouverture du four pour placer les creusets.Après l’évacuation et le remplissage, attendez 15 minutes pour stabiliser le poids. À l’aide du programme de température, exécutez l’exécution de la correction en appuyant sur Mesurer. Lorsque la course est terminée, sortez le creuset vide.Mettez 6 à 8 milligrammes de la matière rayée dans le creuset. Après avoir pesé l’échantillon dans le creuset et enregistré la masse, sceller la casserole et le couvercle à l’aide d’une presse à sceller. Ouvrez le fichier d’exécution de correction en accédant à Fichier et Ouvrir.Sous l’onglet Définition rapide, sélectionnez Échantillon de correction comme type de mesure. Écrivez le nom et le poids de l’échantillon et choisissez un nom de fichier. Allez dans l’onglet Programme de température et activez l’option FT pour l’étape isotherme de 5 degrés Celsius et le segment de chauffage à 590 degrés Celsius afin de lancer la surveillance des gaz FTIR pour ces deux segments.Cliquez sur la case GC du segment de chauffage pour déclencher l’analyse GC-MS. Prenez un entonnoir, insérez-le dans le port Dewar du détecteur de tellurure de mercure-cadmium et remplissez-le soigneusement d’azote liquide. Ouvrez le logiciel FTIR.Sous l’onglet Paramètre de base, chargez la méthode TG-FTIR appelée TGA. XPM. Vérifiez l’interférogramme en cliquant sur l’onglet Check Signal (Check Signal), puis attendez que l’interférogramme soit stabilisé avant de commencer l’analyse thermique. Allumez la ligne de pompe à vide pour aspirer les espèces gazeuses évoluées de STA à FTIR et GC-MS.Ajustez le taux de pompage à un débit stable, qui est d’environ 60 millilitres par minute. Après avoir chargé la méthode dans le logiciel GC-MS, cliquez sur Exécuter la méthode et remplissez le nom de l’exemple et le nom du fichier de données, puis cliquez sur OK et Exécuter la méthode. Dans le logiciel STA, vérifiez le programme de température, le débit de gaz et assurez-vous que les options GC-MS et FTIR sont activées.Accédez à l’onglet Derniers éléments et donnez un nom de fichier à l’exemple pour les données STA et FTIR. Appuyez sur Mesure et cliquez sur Démarrer la connexion FTIR pour établir la connexion entre le logiciel STA et le logiciel FTIR. Une fois la connexion établie, cliquez sur Tare pour mettre la balance à zéro et vérifiez le débit de gaz en sélectionnant Définir les gaz initiaux, puis appuyez sur le bouton Démarrer pour lancer la course.La courbe de décharge de la cellule électrochimique graphite NMC 111 montre un potentiel d’anode de 50 millivolts, ce qui confirme l’absence de placage au lithium. Le profil de décomposition thermique du matériau anodique a révélé un pic endothermique aigu dans la région 1 sans perte de masse ni production de gaz. La région 2 présente une large décomposition thermique DSC en plus d’une évolution minimale du gaz et d’une perte de masse.Les émissions de dioxyde de carbone sont observées autour de 100 degrés Celsius, mais diminuent avant 150 degrés Celsius, tandis que le carbonate d’éthylène commence à s’évaporer près de 150 degrés Celsius. La région 3 a présenté une perte de masse, une évolution de gaz et une génération de chaleur significatives, illustrées par un pic exothermique aigu. Du dioxyde de carbone, du carbonate d’éthylène, du trifluorure de phosphore et de l’éthylène ont été détectés.La région 4 montre une diminution de la quantité de dégagement de chaleur avec de petits pics qui se chevauchent partiellement, une perte de masse mineure avec des traces gazeuses d’éthylène, et de l’éthane, du méthane et du propylène ont été observés. L’augmentation des taux de chauffage a entraîné une augmentation de la température de pointe, sauf pour la crête 1, où la température maximale de pointe passe à des valeurs inférieures. Les diagrammes de Kissinger des pics 2 et 3 ont été utilisés pour calculer les paramètres cinétiques.La reproductibilité est primordiale lors de l’assemblage de la configuration électrochimique et lors de l’ouverture de la cellule pour l’analyse thermique. Par conséquent, plusieurs répétitions par le même opérateur et suivant des étapes identiques sont nécessaires. D’autres techniques analytiques telles que SEM-EDX ou XRD peuvent fournir un aperçu plus approfondi de la composition chimique des matériaux de batterie et, en outre, elles peuvent montrer leurs changements lors de l’exposition à diverses conditions environnementales ou électrochimiques.Cette technique peut aider les chercheurs à entreprendre l’évaluation des propriétés thermiques des matériaux de batterie de manière très systématique, tout en assurant une préparation correcte des échantillons.

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