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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Die Autoren danken Marc Steen und Natalia Lebedeva für die hervorragende Unterstützung bei der Begutachtung und Diskussion dieses Manuskripts.

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

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	<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

Die Risiken und möglichen Unfälle im Zusammenhang mit der normalen Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien geben nach wie vor Anlass zu ernster Besorgnis. Um ein besseres Verständnis des thermischen Durchgehens (TR) zu erhalten, wurden die exothermen Zersetzungsreaktionen in Anode und Kathode mit einem simultanen thermischen Analyse (STA) / Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) / Fourier Transform Infrared (FTIR) Spektrometersystem untersucht. Diese Techniken ermöglichten die Identifizierung der Reaktionsmechanismen in jeder Elektrode aufgrund der Analyse der entwickelten gasförmigen Spezies, der freigesetzten Wärmemenge und des Massenverlusts. Diese Ergebnisse lieferten einen Einblick in die thermischen Ereignisse, die in einem breiteren Temperaturbereich als in zuvor veröffentlichten Modellen abgedeckt wurden. Dies ermöglichte die Formulierung eines verbesserten thermischen Modells zur Darstellung von TR. Die Reaktionswärme, die Aktivierungsenergie und der Frequenzfaktor (thermische Tripletts) für jeden größeren exothermen Prozess auf Materialebene wurden in einer Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC (111))-Graphit-Batteriezelle untersucht. Die Ergebnisse wurden analysiert und ihre Kinetik abgeleitet. Diese Daten können verwendet werden, um den experimentellen Wärmefluss erfolgreich zu simulieren.

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

Diese Arbeit zielt darauf ab, die Reaktionskinetik von Kathoden- und Anodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien zu bestimmen, die einem thermischen Durchgehen (TR) unterliegen. Simultane thermische Analyse (STA) / Fourier Transform Infrarot (FTIR) Spektrometer/Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) wurden verwendet, um thermische Ereignisse aufzudecken und entwickelte Gase zu detektieren.

Identifizierung und Quantifizierung von Zersetzungsmechanismen in Lithium-Ionen-Batterien; Eingang zur Wärmeflusssimulation zur Modellierung des thermischen Durchgehens

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 ...

Diese Methode kann helfen, den thermischen Zersetzungsmechanismus und die thermischen Eigenschaften von Batterieelektronenmaterialien zu identifizieren. Dies ermöglicht ein weiteres Verständnis eines thermischen Durchgehens in einer einzelnen Zelle. Aus diesem Protokoll wurden die thermischen Eigenschaften von Batteriematerialien genauer abgeleitet, indem die angeborenen Bedingungen von der Probenvorbereitung bis zur Probenbeladung sichergestellt und zweckmäßige Parameter ausgewählt wurden.Diese Technik erstreckt sich auf die Entwicklung eines verbesserten thermischen Modells zur Simulation des thermischen Durchgehens in einer einzelnen Zelle. Dies ermöglicht dann eine bessere Bewertung der Batteriesicherheitsleistung, um beispielsweise die Formulierung von Normen und Vorschriften zu unterstützen. Diese Methode liefert einen hilfreichen Einblick in die thermische Stabilität von Materialien.Dies kann angewendet werden, um andere energetische Materialien wie Sprengstoffe, Treibmittel, Pyrotechnik oder neuartige Materialien zu untersuchen. Während das Material im Laufe der Zeit erhitzt wird, werden mehrere Spektren gesammelt. Daher ist es wichtig, jeden Phasenübergang mit den richtigen GC-MS- und FTIR-Spektren zu verknüpfen.Nehmen Sie zunächst eine Polymerseparatorscheibe mit einem Durchmesser von 22 Millimetern und einer Dicke von 25 Mikrometern und legen Sie sie auf den unteren Teil der Polypropylen-Isolierhülse. Drücken Sie den oberen Teil der Isolierhülse vorsichtig nach unten, um ihn zusammenzubauen, und stellen Sie sicher, dass der Separator flach ist. Sammeln Sie die notwendigen Werkzeuge und Materialien für die elektrochemische Zellmontage und stecken Sie sie in das Handschuhfach.Wiegen Sie die Elektrodenscheiben auf einer 4-stelligen Analysenwaage und notieren Sie die Werte zur Bestimmung der aktiven Materialbelastung. Nehmen Sie 150 Mikroliter des Elektrolyten mit der Mikropipette und geben Sie einen Tropfen auf den Separator, der dem unteren Teil der Isolierhülse zugewandt ist. Führen Sie die Graphitanode mit Hilfe der Vakuum-Pick-up-Pinzette ein, gefolgt vom unteren Kolben.Nachdem Sie die Isolierhülse gedreht haben, geben Sie den restlichen Elektrolyten auf den Separator. Führen Sie mit einer Vakuum-Pick-up-Pinzette die NMC-Kathodenscheibe ein und platzieren Sie den oberen Kolben. Montieren Sie die Baugruppe im Zellkernteil.Legen Sie den O-Ring fest, bevor Sie alles zusammen mit der Schraubenklemme befestigen. Entfernen Sie die elektrochemische Zelle aus dem Handschuhfach und legen Sie sie in die Temperaturkammer, dann stecken Sie die entsprechenden Kabel ein, um die Zelle mit dem Cycler zu verbinden. Führen Sie den elektrochemischen Zyklusprozess aus, indem Sie den Dateinamen des Protokolls auswählen, indem Sie den entsprechenden Strom für C/20 C-Rate eingeben und die Kammernummer auswählen.Klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche Start. Nach dem Zyklusschritt bringen Sie die elektrochemische Zelle in das Handschuhfach. Zerlegen Sie die Zelle und nehmen Sie eine Elektrode heraus, dann setzen Sie die Zelle wieder zusammen, um die verbleibende Elektrode vor dem Austrocknen zu schützen.Wiegen Sie die Elektrode mit der Präzisionswaage und legen Sie sie auf frische Aluminiumfolie und falten Sie die Folie. Um die Elektrode zu trocknen, legen Sie sie für zwei Stunden unter Vakuum in den Vorraum des Transferhandschuhfachs. Wenn sich das Gewicht bei x Milligramm plus minus 0,01 Milligramm stabilisiert hat, beachten Sie das Gewicht der getrockneten Elektrode.Kratzen Sie die Scheibe mit einer Pinzette und einem Spatel, um das beschichtete Material für die weitere Charakterisierung zu ernten. Erstellen Sie für die STA-Vorbereitung eine neue Methode, indem Sie die STA-Software öffnen und auf Datei und dann auf Neu klicken. Wählen Sie die Parameter auf der Registerkarte Setup des Fensters Messdefinition aus.Wechseln Sie zur Registerkarte Kopfzeile und wählen Sie Korrektur, um einen Korrekturlauf mit einem leeren Tiegel für die Baselinekorrektur auszuführen. Schreiben Sie den Namen der Probe und wählen Sie die Datei für die Temperatur- und Empfindlichkeitskalibrierung aus, die für den Lauf verwendet werden soll. Gehen Sie zu MFC-Gase und wählen Sie Helium als Spülgas und Schutzgas.Erstellen Sie das Temperaturprogramm auf der Registerkarte Temperaturprogramm, um den Heiz- und Kühlvorgang zu definieren. Stellen Sie die Durchflussrate von Helium auf 100 Milliliter pro Minute bzw. 20 Milliliter pro Minute für Spül- bzw. Schutzgas ein. Klicken Sie auf GN2 als Kühlmedium und STC zur Probentemperierung für alle Segmente des Temperaturprogramms, beginnend mit dem isothermen Schritt bei 5 Grad Celsius bis zum Ende des Heizsegments.Wechseln Sie zur Registerkarte Letztes Element, und geben Sie dieser Ausführung einen Dateinamen ein. Verwenden Sie die Präzisionswaage und messen Sie das Gewicht des leeren Tiegels. Geben Sie die Tiegelmasse neben dem Namen der Probe ein.Öffnen Sie den Silberofen und legen Sie den Tiegel auf den DSC/TG-Probenhalter der STA. Evakuieren Sie den Ofen langsam, um Argon zu entfernen, und füllen Sie ihn mit Helium bei maximaler Durchflussrate. Wiederholen Sie die Nachfüllung der Evakuierung mindestens zweimal, um das Argon aus der Atmosphäre des Handschuhfachs zu entfernen, wenn Sie den Ofen öffnen, um die Tiegel zu platzieren.Warten Sie nach der Evakuierung und dem Nachfüllen 15 Minuten, um das Gewicht zu stabilisieren. Führen Sie mit dem Temperaturprogramm den Korrekturlauf durch Drücken von Messen aus. Wenn der Lauf beendet ist, nehmen Sie den leeren Tiegel heraus.Geben Sie 6 bis 8 Milligramm des zerkratzten Materials in den Tiegel. Nachdem Sie die Probe im Tiegel gewogen und die Masse aufgezeichnet haben, verschließen Sie die Pfanne und den Deckel mit einer Verschließpresse. Öffnen Sie die Korrekturlaufdatei, indem Sie zu Datei und Öffnen gehen.Wählen Sie auf der Registerkarte Schnelle Definition die Option Korrekturprobe als Messtyp aus. Schreiben Sie den Namen und die Gewichtung des Beispiels, und wählen Sie einen Dateinamen aus. Gehen Sie auf die Registerkarte Temperaturprogramm und aktivieren Sie die FT-Option für den isothermen Schritt von 5 Grad Celsius und das Heizsegment auf 590 Grad Celsius, um die FTIR-Gasüberwachung für diese beiden Segmente zu starten.Klicken Sie auf das GC-Feld für das Heizsegment, um die GC-MS-Analyse auszulösen. Nehmen Sie einen Trichter, führen Sie ihn in den Dewar des Quecksilber-Cadmiumtellurid-Detektoranschlusses ein und füllen Sie ihn vorsichtig mit flüssigem Stickstoff. Öffnen Sie die FTIR-Software.Laden Sie auf der Registerkarte Basisparameter die TG-FTIR-Methode TGA. XPM. Überprüfen Sie das Interferogramm, indem Sie auf die Registerkarte Check Signal klicken, und warten Sie, bis sich das Interferogramm stabilisiert hat, bevor Sie mit der thermischen Analyse beginnen. Schalten Sie die Vakuumpumpenleitung ein, um entwickelte gasförmige Spezies von STA zu FTIR und GC-MS zu ziehen.Stellen Sie die Pumprate auf einen stabilen Durchfluss ein, der etwa 60 Milliliter pro Minute beträgt. Nachdem Sie die Methode in die GC-MS-Software geladen haben, klicken Sie auf Run Method und geben Sie den Beispielnamen und den Namen der Datendatei ein, klicken Sie dann auf OK und Run Method. Überprüfen Sie in der STA-Software das Temperaturprogramm, den Gasfluss und stellen Sie sicher, dass die GC-MS- und FTIR-Optionen aktiviert sind.Wechseln Sie zur Registerkarte Letzte Elemente, und geben Sie dem Beispiel einen Dateinamen für die STA- und FTIR-Daten ein. Drücken Sie Messen und klicken Sie auf FTIR-Verbindung starten, um die Verbindung zwischen STA-Software und FTIR-Software herzustellen. Sobald die Verbindung hergestellt ist, klicken Sie auf Tara, um die Waage auf Null zu setzen und den Gasfluss zu überprüfen, indem Sie Anfangsgase einstellen auswählen, und drücken Sie dann die Starttaste, um den Lauf zu starten.Die Entladungskurve der elektrochemischen Graphitzelle NMC 111 weist ein Anodenpotential von 50 Millivolt auf, was das Fehlen von Lithiumplattierung bestätigt. Das thermische Zersetzungsprofil von Anodenmaterial zeigte einen scharfen endothermen Peak in Region 1 ohne Massenverlust oder Gasbildung. Region 2 zeigt eine breite DSC-Wärmezersetzung zusätzlich zu minimaler Gasentwicklung und Massenverlust.Die Kohlendioxidemissionen liegen bei etwa 100 Grad Celsius, fallen aber vor 150 Grad Celsius ab, während Ethylencarbonat in der Nähe von 150 Grad Celsius zu verdampfen beginnt. Region 3 zeigte signifikanten Massenverlust, Gasentwicklung und Wärmeentwicklung, was durch einen scharfen exothermen Peak gezeigt wurde. Kohlendioxid, Ethylencarbonat, Phosphortrifluorid und Ethylen wurden nachgewiesen.Region 4 zeigt eine verminderte Wärmefreisetzung mit kleinen, teilweise überlappenden Peaks, geringem Massenverlust mit Gasspuren von Ethylen und Ethan, Methan und Propylen wurde beobachtet. Erhöhte Heizraten führten zu höheren Spitzentemperaturen, mit Ausnahme von Spitze 1, bei der sich die maximale Spitzentemperatur auf niedrigere Werte verschiebt. Kissinger-Diagramme von Peak 2 und Peak 3 wurden verwendet, um die kinetischen Parameter zu berechnen.Die Reproduzierbarkeit ist bei der Montage des elektrochemischen Aufbaus und beim Öffnen der Zelle für die thermische Analyse von größter Bedeutung. Daher sind mehrere Wiederholungen durch denselben Bediener und nach identischen Schritten erforderlich. Andere Analysetechniken wie SEM-EDX oder XRD können einen tieferen Einblick in die chemische Zusammensetzung von Batteriematerialien liefern und darüber hinaus ihre Veränderungen unter verschiedenen Umwelt- oder elektrochemischen Bedingungen zeigen.Diese Technik kann Forschern helfen, die thermischen Eigenschaften von Batteriematerialien sehr systematisch zu bewerten und gleichzeitig eine ordnungsgemäße Probenvorbereitung zu gewährleisten.

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SCIENTISTS IN ACTION

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

Verwendung von Stopped-Flow-Fluoreszenz und markierte Nukleotide ATP, um die Umsatz-Zyklus von Kinesine Analysieren

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

Forschung

Chemie

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Diffuse Reflexion Infrarot-spektroskopische Identifizierung von Dispergiermittel / Particle Bindungsmechanismen in Functional Inks

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 ...

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Optimierung der synthetische Proteine: Bezeichnung interpositional Abhängigkeiten Anzeige- strukturell und / oder funktionell verknüpft Rückstände

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

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Radiomarkierung und Quantifizierung von Cellular Ebenen Phosphoinositide von High Performance Liquid Chromatography-gekoppelten Durchflussscintilla

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

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