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

המחברים מודים בחינניות למארק סטין ולנטליה לבדבה על התמיכה המצוינת בסקירה ובדיון בכתב יד זה.

למחברים אין מה לחשוף.

<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

הסיכונים והתאונות האפשריות הקשורות לשימוש הרגיל בסוללות ליתיום-יון עדיין מהווים דאגה רצינית. על מנת להבין טוב יותר את הבריחה התרמית (TR), נחקרו תגובות הפירוק האקסותרמיות באנודה ובקתודה, באמצעות אנליזה תרמית סימולטנית (STA)/כרומטוגרפיה-ספקטרומטריית מסה של גז (GC-MS)/מערכת ספקטרומטר אינפרה-אדום של התמרת פורייה (FTIR). טכניקות אלה אפשרו לזהות את מנגנוני התגובה בכל אלקטרודה, הודות לניתוח של מינים גזיים שהתפתחו, כמות החום המשתחררת ואובדן המסה. תוצאות אלה סיפקו תובנה לגבי האירועים התרמיים המתרחשים בטווח טמפרטורות רחב יותר מזה שנסקר במודלים שפורסמו בעבר. זה איפשר ניסוח של מודל תרמי משופר כדי לתאר TR. חום התגובה, אנרגיית השפעול וגורם התדר (שלישיות תרמיות) עבור כל תהליך אקסותרמי משמעותי ברמת החומר נחקרו בתא סוללה ליתיום-ניקל-מנגן-קובלט-אוקסיד (NMC (111))-גרפיט. התוצאות נותחו, והקינטיקה שלהם נגזרה. ניתן להשתמש בנתונים אלה כדי לדמות בהצלחה את זרימת החום הניסיונית.

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

עבודה זו נועדה לקבוע את קינטיקה התגובה של קתודה סוללת ליתיום-יון וחומרי אנודה העוברים בריחה תרמית (TR). ספקטרומטר אנליזה תרמית סימולטנית (STA)/ספקטרומטר אינפרה-אדום התמרת פורייה (FTIR)/ספקטרומטריית מסה של כרומטוגרפיית גז (GC-MS) שימשו לחשיפת אירועים תרמיים ולגילוי גזים שהתפתחו.

זיהוי וכימות מנגנוני הפירוק בסוללות ליתיום-יון; קלט לסימולציית זרימת חום למידול בריחה תרמית

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 ...

שיטה זו יכולה לסייע בזיהוי מנגנון פירוק תרמי ותכונות תרמיות של חומרי אלקטרונים בסוללה. זה מאפשר הבנה נוספת של אירוע בריחה תרמי בתא בודד. מפרוטוקול זה, התכונות התרמיות של חומרי הסוללה נגזרו בצורה מדויקת יותר על ידי הבטחת תנאים מולדים מהכנת הדגימה ועד טעינת הדגימה ועל ידי בחירת פרמטרים מתאימים למטרה.טכניקה זו מתרחבת לקראת פיתוח מודל תרמי משופר כדי לדמות בריחה תרמית בתא יחיד. זה מאפשר הערכה טובה יותר של ביצועי בטיחות הסוללה כדי לתמוך, למשל, בניסוח תקנים ותקנות. שיטה זו מספקת תובנה מועילה ליציבות התרמית של חומרים.זה יכול להיות מיושם כדי לחקור חומרים אנרגטיים אחרים כגון חומרי נפץ, מדחפים, פירוטכניקה, או חומרים חדשים. כאשר החומר מתחמם עם הזמן, נאספים ספקטרה מרובים. לכן, חשוב לשייך כל מעבר פאזה עם ספקטרום GC-MS ו- FTIR הנכון.כדי להתחיל, לקחת דיסק מפריד פולימר בקוטר של 22 מ"מ ועובי של 25 מיקרומטר ולהניח אותו על החלק העליון של החלק התחתון של שרוול בידוד פוליפרופילן. לחץ בזהירות על החלק העליון של שרוול הבידוד כדי להרכיב אותו ולוודא כי המפריד שטוח. לאסוף את הכלים והחומרים הדרושים להרכבת תאים אלקטרוכימיים ולהכניס אותם לתוך תא הכפפות.שקלו את דיסקי האלקטרודה על איזון אנליטי בן 4 ספרות ורשמו את הערכים כדי לקבוע את עומס החומר הפעיל. קח 150 מיקרוליטר של אלקטרוליט עם micropipette ולשים טיפה על המפריד מול החלק התחתון של שרוול בידוד. הכנס את אנודת הגרפיט בעזרת הפיק-אפ של ואקום, ואחריו הבוכנה התחתונה.לאחר הפיכת שרוול הבידוד, פזרו את האלקטרוליט הנותר על המפריד. באמצעות פינצט איסוף ואקום, הכנס את הדיסק הקתודי NMC והנח את הבוכנה העליונה. הרכב את המכלול בתוך חלק ליבת התא.מניחים את טבעת ה-O לפני הידוק הכל יחד עם מהדק הבורג. הסר את התא האלקטרוכימי מתא הכפפות והנח אותו בתוך תא הטמפרטורה, ולאחר מכן חבר את הכבלים המתאימים כדי לחבר את התא למחזור. הפעל את תהליך המחזור האלקטרוכימי על-ידי בחירת שם הקובץ של הפרוטוקול המזין את הזרם המתאים עבור C/20 C-rate ובחר את מספר התא.לאחר מכן, לחץ על כפתור התחל. לאחר שלב הרכיבה, הביאו את התא האלקטרוכימי לתוך תא הכפפות. פירקו את התא והוציאו אלקטרודה אחת, ואז הרכיבו מחדש את התא כדי להגן על האלקטרודה הנותרת מפני התייבשות.שוקלים את האלקטרודה בעזרת האיזון המדויק ומניחים אותה על רדיד אלומיניום טרי ומקפלים את נייר הכסף. כדי לייבש את האלקטרודה, מניחים אותה בתא הכפפות להעברה תחת ואקום למשך שעתיים. כאשר המשקל התייצב על x מיליגרם פלוס מינוס 0.01 מיליגרם, שימו לב למשקל האלקטרודה המיובשת.בעזרת פינצטה ומרית, מגרדים את הדיסקית כדי לקצור את החומר המצופה לאפיון נוסף. להכנת STA, צור שיטה חדשה על ידי פתיחת תוכנת STA ולחיצה על קובץ, ולאחר מכן על חדש. בחרו בפרמטרים בכרטיסייה 'הגדרות' בחלון 'הגדרת מדידה'.עבור אל הכרטיסיה כותרת עליונה ובחר תיקון כדי לבצע הרצת תיקון עם כור היתוך ריק לתיקון בסיסי. כתוב את שם הדגימה ובחר את הקובץ עבור כיול הטמפרטורה והרגישות שישמש להפעלה. עבור אל גזי MFC ובחר הליום כגז טיהור וגז מגן.צור את תוכנית הטמפרטורה תחת הכרטיסייה תוכנית טמפרטורה כדי להגדיר את תהליך החימום והקירור. הגדר את קצב הזרימה של הליום ל -100 מיליליטר לדקה ו -20 מיליליטר לדקה עבור טיהור וגז מגן בהתאמה. לחץ על GN2 כמדיום קירור ועל STC לבקרת טמפרטורת דגימה עבור כל המקטעים של תוכנית הטמפרטורה, החל מהשלב האיזותרמי ב 5 מעלות צלזיוס ועד סוף מקטע החימום.עבור אל הכרטיסיה הפריט האחרון ותן שם קובץ להפעלה זו. השתמש באיזון המדויק ומדוד את משקל כור ההיתוך הריק. הזן את מסת כור ההיתוך לצד שם הדגימה.פתחו את תנור הכסף והניחו את כור ההיתוך על מחזיק הדגימה DSC/TG של ה-STA. פנו את הכבשן באיטיות כדי להסיר ארגון ומלאו אותו בהליום בקצב זרימה מרבי. חזור על מילוי הפינוי לפחות פעמיים כדי להיפטר מהארגון המגיע מאווירת תא הכפפות בעת פתיחת הכבשן למיקום כור ההיתוך.לאחר הפינוי והמילוי מחדש, יש להמתין 15 דקות כדי לייצב את המשקולת. באמצעות תוכנית הטמפרטורה, בצע את הפעלת התיקון על ידי לחיצה על מדוד. בסיום הריצה, הוציאו את כור ההיתוך הריק.שים 6 עד 8 מיליגרם של החומר שרוט בכור ההיתוך. לאחר שקילת הדגימה בכור ההיתוך ורישום המסה, אוטמים את המחבת והמכסה באמצעות מכבש איטום. פתח את קובץ הפעלת התיקון על-ידי מעבר אל קובץ ופתיחה.תחת הכרטיסיה הגדרה מהירה, בחר תיקון דגימה כסוג מדידה. כתוב את השם ואת משקל המדגם ובחר שם קובץ. עבור אל הכרטיסייה תוכנית טמפרטורה והפעל את אפשרות FT עבור השלב האיזותרמי של 5 מעלות צלזיוס ואת קטע החימום ל 590 מעלות צלזיוס על מנת להפעיל ניטור גז FTIR עבור שני מקטעים אלה.לחץ על תיבת GC עבור מקטע החימום כדי להפעיל ניתוח GC-MS. קח משפך, הכנס אותו לתוך דיואר של יציאת גלאי הכספית קדמיום טלורייד ומלא אותו בזהירות בחנקן נוזלי. פתח את תוכנת FTIR.בכרטיסיה פרמטר בסיסי, טען את פעולת השירות TG-FTIR הנקראת TGA. XPM. בדוק את האינטרפרוגרמה על ידי לחיצה על הכרטיסייה בדוק אות, ולאחר מכן המתן עד שהאינטרפרוגרמה תתייצב לפני תחילת הניתוח התרמי. הפעל את קו משאבת הוואקום כדי למשוך מינים גזיים מפותחים מ- STA ל- FTIR ו- GC-MS.התאם את קצב השאיבה לזרימה יציבה, שהיא כ -60 מיליליטר לדקה. לאחר טעינת השיטה בתוכנת GC-MS, לחץ על שיטת הפעלה ומלא את השם לדוגמה ואת שם קובץ הנתונים, ולאחר מכן לחץ על אישור והפעלת שיטה. בתוכנת STA, ודא את תוכנית הטמפרטורה, את זרימת הגז וודא שאפשרויות GC-MS ו- FTIR מופעלות.עבור אל הכרטיסייה פריטים אחרונים ותן שם קובץ לדוגמה עבור נתוני STA ו- FTIR. לחץ על מדידה ולחץ על התחל חיבור FTIR כדי ליצור את החיבור בין תוכנת STA לתוכנת FTIR. לאחר יצירת החיבור, לחץ על Tare כדי לשים את האיזון באפס ולבדוק את זרימת הגז על ידי בחירת הגדר גזים ראשוניים, ולאחר מכן לחץ על התחל כפתור להפעלת הריצה.עקומת הפריקה של התא האלקטרוכימי גרפיט NMC 111 מראה פוטנציאל אנודה של 50 מיליוולט, המאשר את היעדר ציפוי ליתיום. פרופיל הפירוק התרמי של חומר האנודה חשף שיא אנדותרמי חד באזור 1 ללא אובדן מסה או ייצור גז. אזור 2 מראה פירוק חום DSC רחב בנוסף לאבולוציה מינימלית של גז ואובדן מסה.פליטת פחמן דו חמצני נראית בסביבות 100 מעלות צלזיוס, אך יורדת לפני 150 מעלות צלזיוס, בעוד אתילן קרבונט מתחיל להתנדף ליד 150 מעלות צלזיוס. אזור 3 הציג אובדן מסה משמעותי, אבולוציה של גזים וייצור חום, שהוכחו על ידי שיא אקסותרמי חד. זוהו פחמן דו חמצני, אתילן קרבונט, זרחן טריפלואוריד ואתילן.אזור 4 מראה כמות מופחתת של שחרור חום עם פסגות קטנות, חופפות חלקית, אובדן מסה מינורי עם עקבות גז של אתילן, ונצפה אתאן, מתאן ופרופילן. קצבי חימום מוגברים הביאו לטמפרטורת שיא גבוהה יותר למעט שיא 1, שבו טמפרטורת השיא המקסימלית עוברת לערכים נמוכים יותר. חלקות קיסינג'ר של שיא 2 ושיא 3 שימשו לחישוב הפרמטרים הקינטיים.שכפול הוא בעל חשיבות עליונה בעת הרכבת ההתקנה האלקטרוכימית וכאשר פותחים את התא לניתוח תרמי. לכן, יש צורך בחזרות מרובות של אותו מפעיל וביצוע שלבים זהים. טכניקות אנליטיות אחרות כגון SEM-EDX או XRD יכולות לספק תובנה עמוקה יותר על ההרכב הכימי של חומרי סוללה, ויתרה מכך, היא יכולה להראות את השינויים שלה עם חשיפה לתנאים סביבתיים או אלקטרוכימיים שונים.טכניקה זו יכולה לסייע לחוקרים לבצע את הערכת התכונות התרמיות של חומרי סוללה באופן שיטתי מאוד, תוך הקפדה על הכנת דגימה נכונה.

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

שימוש בנוקלאוטידים פסיקת זרימת הקרינה ותווית לניתוח מחזור מחזור ATP של 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

לפזר החזרה אינפרא אדום Spectroscopic זיהוי של פיזור / חלקיקים מנגנוני Bonding בדיו פונקציונלי

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

ושאריות או זיהוי של Interpositional תלות המציין מבני / צמודות תפקודית: אופטימיזציה של חלבונים סינטטיים

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 וכימות של רמות סלולריות של Phosphoinositides ידי נצנץ זרימה מצמיד כרומטוגרפיה נוזלית ביצועים גבוהים

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

Phospho-אפיטופים Immunostaining באיברים ריסי של עוברי דג הזברה שלמים הר

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

הכנת Aerogels biopolymer בעזרת ממיסים גרין

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

זיהוי, כימות של הפלזמודיום falciparum ב מימית כדוריות דם אדומות על ידי הקלוש הכולל השתקפות ספקטרוסקופית אינפרא אדום וניתוח נתונים Multivariate

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

זיהוי רגיש היסודות של הכימיה בסוללות דרך בליעה רכה רנטגן, רנטגן פלסטית תהודה פיזור

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

סינתזה של נקבובי בריום חומצה טיטנית סרט דק וייצוב תרמי של שלב Ferroelectric על ידי זן נקבוביות-Induced

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

שינוי בהשראה ביו השטח Polydopamine של Nanodiamonds והצמצום שלה של סילבר חלקיקים

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