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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Gli autori ringraziano con grazia Marc Steen e Natalia Lebedeva per l'eccellente supporto nella revisione e nella discussione di questo manoscritto.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

<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

I rischi e i possibili incidenti legati al normale utilizzo delle batterie agli ioni di litio rimangono una seria preoccupazione. Al fine di ottenere una migliore comprensione del runaway termico (TR), sono state studiate le reazioni di decomposizione esotermica nell'anodo e nel catodo, utilizzando un sistema di spettrometro spettrometrico Simultaneous Thermal Analysis (STA)/Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS)/Fourier Transform Infrared (FTIR). Queste tecniche hanno permesso di identificare i meccanismi di reazione in ciascun elettrodo, grazie all'analisi delle specie gassose evolute, alla quantità di calore rilasciato e alla perdita di massa. Questi risultati hanno fornito informazioni sugli eventi termici che si verificano all'interno di un intervallo di temperatura più ampio rispetto a quello coperto nei modelli pubblicati in precedenza. Ciò ha permesso la formulazione di un modello termico migliorato per rappresentare TR. Il calore di reazione, l'energia di attivazione e il fattore di frequenza (triplette termiche) per ciascun processo esotermico principale a livello di materiale sono stati studiati in una cella di batteria al litio nichel-manganese-cobalto-ossido (NMC (111))-grafite. I risultati sono stati analizzati e la loro cinetica è stata derivata. Questi dati possono essere utilizzati per simulare con successo il flusso di calore sperimentale.

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

Questo lavoro mira a determinare la cinetica di reazione dei materiali catodici e anodici delle batterie agli ioni di litio sottoposti a runaway termico (TR). Lo spettrometro FTIR (Simultaneous Thermal Analysis)/FTIR (Fourier Transform Infrared) / Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC-MS) è stato utilizzato per rivelare eventi termici e rilevare gas evoluti.

identificazione e quantificazione dei meccanismi di decomposizione nelle batterie agli ioni di litio; Input per la simulazione del flusso di calore per la modellazione del runaway termico

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 ...

Questo metodo può aiutare a identificare il meccanismo di decomposizione termica e le proprietà termiche dei materiali elettronici delle batterie. Ciò consente un'ulteriore comprensione di un evento di fuga termica in una singola cella. Da questo protocollo, le proprietà termiche dei materiali delle batterie sono state derivate in modo più accurato garantendo condizioni innate dalla preparazione del campione al caricamento del campione e selezionando parametri adatti allo scopo.Questa tecnica si estende verso lo sviluppo di un modello termico migliorato per simulare il runaway termico in una singola cella. Ciò consente quindi una migliore valutazione delle prestazioni di sicurezza delle batterie a supporto, ad esempio, della formulazione di standard e regolamenti. Questo metodo fornisce una visione utile della stabilità termica dei materiali.Questo può essere applicato per studiare altri materiali energetici come esplosivi, propellenti, pirotecnici o nuovi materiali. Man mano che il materiale viene riscaldato nel tempo, vengono raccolti più spettri. Pertanto, è importante associare qualsiasi transizione di fase con gli spettri GC-MS e FTIR corretti.Per iniziare, prendere un disco separatore polimerico di un diametro di 22 millimetri e uno spessore di 25 micrometri e posizionarlo sopra la parte inferiore del manicotto isolante in polipropilene. Premere con attenzione la parte superiore del manicotto isolante per assemblarlo e assicurarsi che il separatore sia piatto. Raccogliere gli strumenti e i materiali necessari per l'assemblaggio di celle elettrochimiche e inserirli all'interno del vano portaoggetti.Pesare i dischi degli elettrodi su una bilancia analitica a 4 cifre e registrare i valori per determinare il carico di materiale attivo. Prendi 150 microlitri di elettrolita con la micropipetta e metti una goccia sul separatore rivolto verso la parte inferiore del manicotto isolante. Inserire l'anodo di grafite con l'aiuto della pinzetta pick-up a vuoto, seguita dallo stantuffo inferiore.Dopo aver ruotato il manicotto isolante, erogare l'elettrolita rimanente sul separatore. Utilizzando una pinzetta a vuoto, inserire il disco catodico NMC e posizionare lo stantuffo superiore. Montare l'assieme all'interno della parte centrale della cella.Posizionare l'O-ring prima di fissare tutto insieme al morsetto del bullone. Rimuovere la cella elettrochimica dal vano portaoggetti e posizionarla all'interno della camera di temperatura, quindi collegare i cavi appropriati per collegare la cella al ciclatore. Eseguire il processo di ciclo elettrochimico selezionando il nome del file del protocollo inserendo la corrente corrispondente per C/20 C-rate e selezionando il numero della camera.Successivamente, fai clic sul pulsante Start. Dopo la fase di ciclo, portare la cella elettrochimica all'interno del vano portaoggetti. Smontare la cella ed estrarre un elettrodo, quindi riassemblare la cella per proteggere l'elettrodo rimanente dall'asciugarsi.Pesare l'elettrodo usando la bilancia di precisione e posizionarlo su un foglio di alluminio fresco e piegare il foglio. Per asciugare l'elettrodo, posizionarlo nell'anticamera del vano portaoggetti di trasferimento sotto vuoto per due ore. Quando il peso si è stabilizzato a x milligrammo più meno 0,01 milligrammi, annotare il peso dell'elettrodo essiccato.Usando una pinzetta e una spatola, grattare il disco per raccogliere il materiale rivestito per un'ulteriore caratterizzazione. Per la preparazione di STA, creare un nuovo metodo aprendo il software STA e facendo clic su File, quindi su Nuovo. Selezionare i parametri nella scheda Impostazione della finestra Definizione misurazione.Vai alla scheda Intestazione e seleziona Correzione per eseguire un'esecuzione di correzione con un crogiolo vuoto per la correzione della linea di base. Scrivere il nome del campione e selezionare il file per la calibrazione della temperatura e della sensibilità da utilizzare per l'esecuzione. Vai a Gas MFC e seleziona Elio come gas di spurgo e gas protettivo.Creare il programma di temperatura nella scheda Programma di temperatura per definire il processo di riscaldamento e raffreddamento. Impostare la portata di elio su 100 millilitri al minuto e 20 millilitri al minuto rispettivamente per lo spurgo e il gas protettivo. Fare clic su GN2 come mezzo di raffreddamento e STC per il controllo della temperatura del campione per tutti i segmenti del programma di temperatura, a partire dal passo isotermico a 5 gradi Celsius fino alla fine del segmento di riscaldamento.Passare alla scheda Ultimo elemento e assegnare un nome file a questa esecuzione. Utilizzare la bilancia di precisione e misurare il peso del crogiolo vuoto. Immettere la massa del crogiolo accanto al nome del campione.Aprire il forno d'argento e posizionare il crogiolo sul portacampioni DSC/TG del STA. Evacuare lentamente il forno per rimuovere l'argon e riempirlo nuovamente con elio alla massima portata. Ripetere la ricarica di evacuazione almeno due volte per eliminare l'argon proveniente dall'atmosfera del vano portaoggetti quando si apre il forno per posizionare i crogioli.Dopo l'evacuazione e il riempimento, attendere 15 minuti per stabilizzare il peso. Utilizzando il programma di temperatura, eseguire l'esecuzione della correzione premendo Misura. Quando la corsa è finita, estrarre il crogiolo vuoto.Metti da 6 a 8 milligrammi di materiale graffiato nel crogiolo. Dopo aver pesato il campione nel crogiolo e registrato la massa, sigillare la padella e il coperchio con una pressa sigillante. Apri il file di esecuzione della correzione andando su File e Apri.Nella scheda Definizione rapida, selezionare Campione di correzione come tipo di misurazione. Scrivi il nome e il peso del campione e scegli un nome file. Vai alla scheda Programma di temperatura e attiva l'opzione FT per il passo isotermico di 5 gradi Celsius e il segmento di riscaldamento a 590 gradi Celsius per avviare il monitoraggio del gas FTIR per questi due segmenti.Fare clic sulla casella GC per il segmento di riscaldamento per attivare l'analisi GC-MS. Prendi un imbuto, inseriscilo nel Dewar della porta del rivelatore di tellururo di cadmio di mercurio e riempilo con cura con azoto liquido. Aprire il software FTIR.Nella scheda Parametro di base caricare il metodo TG-FTIR denominato TGA. XPM. Controllare l'interferogramma facendo clic sulla scheda Controlla segnale, quindi attendere che l'interferogramma si sia stabilizzato prima di iniziare l'analisi termica. Accendere la linea della pompa per vuoto per attirare specie gassose evolute da STA a FTIR e GC-MS.Regolare la velocità di pompaggio su un flusso stabile, che è di circa 60 millilitri al minuto. Dopo aver caricato il metodo nel software GC-MS, fare clic su Metodo di esecuzione e inserire il nome del file di esempio e il nome del file di dati, quindi fare clic su OK e Metodo di esecuzione. Nel software STA, verificare il programma di temperatura, il flusso di gas e assicurarsi che le opzioni GC-MS e FTIR siano abilitate.Passare alla scheda Ultimi elementi e assegnare un nome di file all'esempio per i dati STA e FTIR. Premere Misura e fare clic su Avvia connessione FTIR per stabilire la connessione tra il software STA e il software FTIR. Una volta stabilita la connessione, clicca su Tara per azzerare il bilanciamento e controlla il flusso di gas selezionando Imposta gas iniziali, quindi premi sul pulsante Start per avviare la corsa.La curva di scarica della cella elettrochimica in grafite NMC 111 mostra un potenziale anodico di 50 millivolt, che conferma l'assenza di placcatura al litio. Il profilo di decomposizione termica del materiale anodico ha rivelato un forte picco endotermico nella regione 1 senza perdita di massa o generazione di gas. La regione 2 mostra un'ampia decomposizione termica DSC oltre a una minima evoluzione del gas e perdita di massa.L'emissione di anidride carbonica è vista intorno ai 100 gradi Celsius, ma scende prima dei 150 gradi Celsius, mentre il carbonato di etilene inizia ad evaporare vicino ai 150 gradi Celsius. La regione 3 ha mostrato una significativa perdita di massa, evoluzione del gas e generazione di calore, mostrata da un forte picco esotermico. Sono stati rilevati anidride carbonica, carbonato di etilene, trifluoruro di fosforo ed etilene.La regione 4 mostra una diminuzione della quantità di rilascio di calore con piccoli picchi parzialmente sovrapposti, una minore perdita di massa con tracce di gas di etilene ed è stata osservata etano, metano e propilene. L'aumento delle velocità di riscaldamento ha comportato un aumento della temperatura di picco ad eccezione del picco 1, dove la temperatura massima di picco si sposta su valori più bassi. I grafici di Kissinger del picco 2 e del picco 3 sono stati utilizzati per calcolare i parametri cinetici.La riproducibilità è fondamentale quando si assembla la configurazione elettrochimica e quando si apre la cella per l'analisi termica. Pertanto, sono necessarie più ripetizioni da parte dello stesso operatore e seguendo passaggi identici. Altre tecniche analitiche come SEM-EDX o XRD possono fornire una visione più approfondita della composizione chimica dei materiali delle batterie e, inoltre, possono mostrare i suoi cambiamenti in caso di esposizione a varie condizioni ambientali o elettrochimiche.Questa tecnica può aiutare i ricercatori a intraprendere la valutazione delle proprietà termiche dei materiali delle batterie in modo molto sistematico, garantendo al contempo un'adeguata preparazione del campione.

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