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

Forfattere takker grasiøst Marc Steen og Natalia Lebedeva for den utmerkede støtten til å gjennomgå og diskutere dette manuskriptet.

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Behovet for å avkarbonisere økonomien kombinert med økende energibehov - som følge av sosioøkonomisk utvikling og klimaendringer -   krever et stort skifte i energisystemet for å takle utfordringer som følge av global oppvarming og drivstoffmangel 1,2. Rene energiteknologier som vindkraft og solenergi regnes som beste alternativer til et fossilt energidominert energisystem3; De er imidlertid intermitterende, og lagring av energi vil bidra til å sikre kontinuitet i energiforsyningen. Egenskaper som høy spesifikk energitetthet, stabil syklusytelse og effektivitet gjør litiumionbatterier (LIBs) lovende kandidater som elektrokjemisk energilagringssystem. Kostnadene og mangelen på pålitelig drift av LIB-er kan hindre en bredere anvendelse i strømnettet, i form av et stort stasjonært batterisystem 4,5. Et ekstra aspekt å vurdere er at kombinasjonen av høyenergiske materialer med brennbare organiske løsemiddelbaserte elektrolytter kan føre til farlige forhold som brann, utslipp av giftige gasser og eksplosjon 6,7. Derfor må man ta opp sikkerhetsspørsmål i LIB-er.
Siden tidlig kommersialisering ble det rapportert en rekke ulykker i dagens applikasjoner (bærbare elektroniske enheter, elektriske biler og hjelpekraftenhet i fly) i nyhetene 8,9. For eksempel, til tross for produksjon av høy kvalitet, antas Sony bærbare batterier hendelse10, de to Boeing 787-hendelsene 11,12, Samsung Galaxy Notes 7-hendelser13 antas å skje ved interne kortslutninger i en celle. Tester er utviklet for å vurdere sikkerhetsrisikoer14,15,16,17. Overlading, overutladning, ekstern oppvarming, mekanisk misbruk og intern/ekstern kortslutning er feilmekanismer som er kjent for å utløse thermal runaway (TR)18 og har blitt inkludert i noen standarder og forskrifter. Under denne prosessen oppstår en rekke eksotermiske reaksjoner som forårsaker en drastisk og rask temperaturøkning. Når varmen som genereres ikke kan spres raskt nok, utvikler denne tilstanden seg til en TR 19,20. I tillegg kan en enkelt celle da generere tilstrekkelig varme til å utløse nabocellene, i en modul eller i en pakkeenhet, til TR; opprette en termisk forplantningshendelse (TP). Avbøtende strategier som økende celleavstand i en modul, bruk av isolasjonsmaterialer og en bestemt stil for celleforbindelsesfane har alle vist seg å dempe forplantningsfenomenet21. Også elektrolyttstabiliteten og strukturstabiliteten til forskjellige katodematerialer i nærvær av elektrolytt, ved forhøyet temperatur, har blitt undersøkt for å redusere sannsynligheten for TR22.
Juarez-Robles og medarbeidere viste de kombinerte effektene av nedbrytningsmekanismene fra langtidssykling og overutladning på LIB-celler23. Avhengig av alvorlighetsgraden av utslippet ble fenomener som Li-plating, katodepartikkelsprekking, oppløsning av Cu-strømsamler, katodepartikkeloppløsning, dannelse av Cu- og Li-broer rapportert som de viktigste nedbrytningsmekanismene observert i disse testene. Videre studerte de den kombinerte effekten som følge av aldring og overladning på en LIB-celle for å belyse nedbrytningsmekanismene24. På grunn av omfanget av overladningsregimet ble nedbrytningsadferd observert for cellen kapasitetsfadese, elektrolyttnedbrytning, Li-plating, delaminering av aktivt materiale, partikkelsprekking og produksjon av gasser. Disse kombinerte misbruksforholdene kan føre til at de aktive materialene gjennomgår eksotermiske reaksjoner som kan generere tilstrekkelig varme til å starte termisk avrenning.
For å unngå sikkerhetsrelaterte problemer må litiumionbatterier bestå flere tester definert i ulike standarder og forskrifter14. Imidlertid fremhever variasjon i celledesign (pose, prismatisk, sylindrisk), anvendelse av tester begrenset til et visst nivå (celle, modul, pakke), forskjellige evaluerings- og akseptkriterier definert, behovet for å forene retningslinjer og sikkerhetskrav i standarder og forskrifter25,26,27. En pålitelig, reproduserbar og kontrollerbar metodikk, med ensartede testforhold for å utløse en intern kortslutning (ISC) med påfølgende TR, sammen med ensartede evalueringskriterier, er fortsatt under utvikling28. Videre er det ikke en eneste avtalt protokoll for å vurdere risikoen forbundet med forekomsten av TP i et batteri under normal drift20,25.
For å etablere en testprotokoll som simulerer et realistisk feltfeilscenario, må et stort antall inngangsparameterkombinasjoner (f.eks. Designparametere for cellen som kapasitet, overflate til volumforhold, tykkelse på elektrodene, ISC-utløsermetode, plassering, etc.) undersøkes eksperimentelt for å bestemme den beste måten å utløse TR indusert av intern kortslutning. Dette krever uoverkommelig laboratorieinnsats og kostnader. En alternativ tilnærming består i bruk av modellering og simulering for å designe en egnet utløsende metode. Ikke desto mindre kan 3D-termisk modellering av batterier være uoverkommelig beregningsmessig dyrt, med tanke på antall vurderinger som trengs for å dekke effekten av alle mulige kombinasjoner av parametere som potensielt styrer TR indusert av en intern kortslutning.
I litteraturen er termiske dekomponeringsmodeller utviklet for å simulere elektrokjemiske reaksjoner og termisk respons av forskjellige typer litiumionbatterier under forskjellige misbruksforhold, for eksempel spikerpenetrasjon29, overladning30 eller konvensjonell ovnstest31. I et forsøk på å forstå katodematerialets stabilitet, samlet Parmananda og medarbeidere eksperimentelle data om akselererende hastighetskalorimeter (ARC) fra litteraturen32. De har hentet kinetiske parametere fra disse dataene, utviklet en modell for å simulere kalorimetrisk eksperiment og bruke disse kinetiske parametrene for termisk stabilitetsprediksjon av en rekke katodematerialer32.
I referanser 29,30,31 og en rekke andre studier, en kombinasjon av de samme modellene33,34,35,36 ─beskriver  henholdsvis; varmeutslipp fra dekomponering av anode og fast elektrolyttgrensesnitt (SEI) lag; dekomponering av katode og dekomponering av elektrolytt ─  har blitt brukt gjentatte ganger i flere år som grunnlag for modellering av termisk rømning. Sistnevnte har også blitt forbedret over tid, for eksempel ved å legge til ventilasjonsforhold37. Imidlertid ble denne modellserien opprinnelig utviklet for å fange starttemperaturen til en TR og ikke for modellering av termisk løpsk alvorlighetsgrad.
Siden thermal runaway er en ukontrollert termisk dekomponering av batterikomponenter, er det av største betydning å identifisere nedbrytningsreaksjonene i anode og katode for å kunne designe sikrere Li-ion-battericeller og mer nøyaktige testmetoder. Til dette formål er målet med denne studien undersøkelsen av termiske dekomponeringsmekanismer i NMC (111) katode- og grafittanode for utvikling av en forenklet, men tilstrekkelig nøyaktig reaksjonskinetisk modell, som kan brukes i simulering av TR.
Her foreslår vi bruk av koblet analytisk utstyr: Differensialskanningskalorimetri (DSC) og termisk gravimetrisk analyse (TGA) i et enkelt samtidig termisk analyseinstrument (STA). Dette utstyret er koblet til gassanalysesystemet, som består av Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR) og gasskromatografi-massespektrometri (GC-MS). De bindestrekede STA/FTIR/GC-MS-teknikkene vil tillate oss å få en bedre forståelse av årsakene og prosessene til termisk rømning i en enkelt celle. Videre vil dette bidra til å identifisere termiske nedbrytningsprosesser. Orddeling refererer til den elektroniske kombinasjonen av ulike analytiske teknikker.
Oppsettet av dette skreddersydde integrerte systemet er vist i figur 1. STA-utstyret, som ble brukt i denne studien, er plassert inne i en hanskeboks, som garanterer håndtering av komponenter i en beskyttende atmosfære. Sistnevnte er kombinert med FTIR og GC-MS via oppvarmede overføringslinjer (150 ° C) for å unngå kondensering av fordampede materialer langs linjene. Orddelingen av disse analytiske teknikkene tillater samtidig studier av termiske egenskaper og identifisering av frigjorte gasser, og gir informasjon om mekanismene til de termisk induserte nedbrytningsreaksjonene. For ytterligere å redusere virkningen av uønskede kjemiske reaksjoner i elektrodene under prøvepreparering, utføres prøvehåndtering og prøvelasting inne i et argonfylt hanskerom. De demonterte elektrodene skylles ikke eller ytterligere elektrolytter tilsettes smeltedigelen.
STA gjør det mulig å identifisere faseoverganger under oppvarmingsprosessen, sammen med nøyaktig bestemmelse av temperaturer og entalpier knyttet til disse faseovergangene, inkludert de uten masseendring. Kombinasjonen av online FTIR- og GC-MS-metoder med STA gir en kvalitativ vurdering av gasser utviklet fra prøven under termisk dekomponering. Dette er nøkkelen til å identifisere termisk induserte reaksjonsmekanismer. Faktisk tillater STA / FTIR / GC-MS koblet system korrelere masseendringer, varmestrøm og oppdagede gasser.
FTIR og GC-MS har hver sine fordeler og begrensninger. Den høye følsomheten til GC-MS tillater rask og enkel påvisning av molekyler fra topper med lav intensitet. Videre utfyller FTIR-data godt informasjonen fra MS-spektrummønstre for å oppnå strukturell identifisering av organiske flyktige arter. FTIR er imidlertid mindre følsom. I tillegg har diatomiske molekyler, som H 2, N 2, O2, ikke et permanent dipolmoment og er ikke infrarøde aktive. Derfor kan de ikke oppdages ved hjelp av infrarød absorpsjon. Tvert imot kan små molekyler som CO 2, CO,NH3 og H2 O identifiseresmed høy grad av sikkerhet38. Samlet sett gjør informasjonen fra disse komplementære metodene det mulig å få innsikt i gassene som slippes ut under termisk karakterisering.
For å kontrollere state of the art når det gjelder termiske nedbrytningsreaksjoner identifisert for litium nikkel mangan koboltoksid (NMC (111)) katode, grafitt (Gr) anode og 1M LiPF6 i etylenkarbonat (EC) / dimetylkarbonat (DMC) = 50/50 (v / v) elektrolytt, ble det utført en litteraturgjennomgang. Tabell 1, tabell 2 og tabell 3 oppsummerer hovedfunnene.
Innen termisk karakterisering av batterikomponenter har prøveprepareringsmetoden en signifikant effekt på DSC-eksperimentelle resultater, siden dette har innflytelse på DSC-signalet. Mange studier har rapportert forskjellige tilnærminger når det gjelder elektrodehåndtering. Noen variasjoner inkluderer 1) riper aktivt materiale fra elektrode uten forskylling eller tilsetning av ekstra mengde elektrolytt, f.eks., 54,55; 2) skylle/tørke/skrape aktivt materiale og tilsette en gitt mengde elektrolytt med det i smeltedigelen, f.eks., 55,56; 3) skylling/tørking/riping av aktivt materiale uten å tilsette elektrolytt på et senere tidspunkt (se f.eks. referanse57). I litteraturen er det imidlertid ingen generell enighet om prøveprepareringsteknikkene. Vasking av elektroden påvirker integriteten og reaktantene i SEI58, som igjen endrer mengden varme som genereres fra nedbrytningen34,59. På den annen side er det ingen klar indikasjon eller tilstrekkelige detaljer om mengden tilsatt elektrolytt til de høstede materialene før termisk analyse.
I dette arbeidet minimeres SEI-modifikasjonen ved ikke å vaske elektroden og ekskludere elektrolytttillegg, i et forsøk på å karakterisere elektrodematerialet i sin opprinnelige tilstand, samtidig som det gjenværende elektrolyttinnholdet beholdes. Når vi innser at SEI termisk dekomponering er en potensiell utløser for termisk rømning, forventes denne fremstillingsmetoden å muliggjøre en bedre forståelse av elektrodens termiske egenskaper, under testforhold, uten oppløsning av noen SEI-produkter. Faktisk er nedbrytningen av SEI-laget på anoden generelt den første fasen av batterisvikt som starter en selvoppvarmingsprosess 39,41,60.
Et annet viktig tema i termisk analyse er måleforholdene (type digel, åpen/lukket digel, atmosfære) som påvirker DSC-signalet som skal måles. I dette tilfellet er bruken av en hermetisk lukket smeltedigel tydeligvis ikke egnet for bindestreksteknikkene STA / GC-MS / FDIR, noe som innebærer identifisering av utviklede gasser. I et semilukket system kan størrelsen på åpningen i det perforerte smeltedigellokket ha stor innflytelse på måleresultatene. Hvis størrelsen er liten, er de termiske dataene sammenlignbare med en forseglet smeltedigel61. Tvert imot forventes et stort hull i lokket å redusere det målte termiske signalet på grunn av tidlig frigjøring av nedbrytningsprodukter med lav temperatur. Som et resultat ville disse artene ikke være involvert i prosesser med høyere temperatur61. Faktisk tillater et lukket eller semi-lukket system lengre oppholdstid for arten, forvandlet fra kondensert til dampfase inne i smeltedigelen. Et laserskåret ventilasjonshull på 5 μm i smeltedigellokket er valgt for undersøkelse av termisk oppførsel og utviklede gasser av grafittanode og NMC (111) katode. Med tanke på størrelsen på det laserkuttede hullet, antar vi at systemet inne i smeltedigelen mest sannsynlig kan skildre, en enkel, men rimelig tilnærming av dynamikken inne i begge, en lukket battericelle og en battericelleventilering.
Dette nåværende arbeidet er bygget på en tidligere publikasjon av de samme forfatterne48. Dette papiret fokuserer imidlertid mer detaljert på den eksperimentelle delen, og fremhever fordelene med de brukte teknikkene og testforholdene for å nå målet med dette arbeidet.
Så vidt forfatterne kjenner til, er det publisert begrenset forskning om elektrodematerialets termiske oppførsel, ved bruk av den nøyaktige kombinasjonen av disse analyseinstrumentene STA/FTIR/GC-MS, analytiske parametere og prøvepreparering/håndtering for å belyse kjemiske reaksjonsmekanismer på materialnivå under termisk dekomponering. På cellenivå undersøkte Fernandes og medarbeidere de utviklede gassene på en kontinuerlig måte, ved hjelp av FTIR og GC-MS, i en batterisylindrisk celle som gjennomgikk en overladet misbrukstest, i et lukket kammer62. De har identifisert og kvantifisert gassene under denne testen, men forståelsen av reaksjonsmekanismer er fortsatt uklar. Videre, for å utvikle en TR runaway-modell, har Ren og medarbeidere også utført DSC-eksperimenter på materialnivå for å beregne kinetiske triplettparametere for eksoterme reaksjoner55. De har identifisert seks eksotermiske prosesser, men reaksjonsmekanismene ble ikke bestemt, og de brukte ikke koblede gassanalyseteknikker.
På den annen side har Feng og medarbeidere foreslått en tre-trinns TR-mekanisme i LIB-celle med tre karakteristiske temperaturer som kan brukes som indekser for å vurdere termisk sikkerhet for batteri63. Til dette formålet har de brukt en termisk database med data fra ARC. Likevel er det ikke gitt detaljer om de kjemiske reaksjonene som ligger til grunn for disse tre mekanismene.
I denne studien er dataene oppnådd gjennom disse termiske analysemetodene avgjørende for utviklingen av den kinetiske modellen der de viktigste termiske dekomponeringsprosessene skal bestemmes og beskrives riktig. Den kinetiske termiske tripletten, nemlig aktiveringsenergien, frekvensfaktoren og reaksjonsvarmen, beregnes for de forskjellige delprosessene som foregår i begge elektrodene under termisk indusert dekomponering, ved bruk av tre forskjellige oppvarmingshastigheter: 5, 10 og 15 ° C / min. Når det var aktuelt, ble Kissinger-metoden64,65 brukt til bestemmelse av aktiveringsenergi og frekvensfaktor, etter Arrhenius-ligningen. Kissinger-metoden er anvendelig når DSC-topp skifter til høyere temperatur med økende oppvarmingshastighet. Reaksjonsentalpi oppnås ved å integrere området av reaksjonstoppen, målt ved DSC. Fra disse termiske dataene og måleusikkerhetene foreslås en reaksjonskinetisk modell for å simulere dynamikken til en termisk rømning. I den andre delen av dette arbeidet66 vil denne nyutviklede modellen bli brukt til å bestemme sannsynligheten for en TR-hendelse som en funksjon av parametrene til en ISC-utløsermetode.
Skjemaet som er avbildet i figur 2 , oppsummerer sekvensen av trinn som trengs for å gjennomføre protokollen. Det første trinnet består i å montere den elektrokjemiske cellen med batterimaterialene som undersøkes, nemlig NMC (111) / Gr.
For å kunne høste batterimaterialene etter elektrokjemisk syklus og SOC-justering (SOC) til 100%, ble det brukt en forseglbar elektrokjemisk celle levert av EL-CELL (ECC-PAT-Core). Dette tillot en jevn celleåpningsprosess uten skade på elektrodene. Når batterimaterialene er høstet, utføres 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

Risikoen og mulige ulykker knyttet til normal bruk av litiumionbatterier er fortsatt en alvorlig bekymring. For å få en bedre forståelse av thermal runaway (TR), ble de eksotermiske nedbrytningsreaksjonene i anode og katode studert, ved hjelp av et samtidig termisk analyse (STA) / gasskromatografi-massespektrometri (GC-MS) / Fourier Transform Infrared (FTIR) spektrometersystem. Disse teknikkene tillot identifisering av reaksjonsmekanismene i hver elektrode, på grunn av analysen av utviklede gassformige arter, mengden varme som frigjøres og massetap. Disse resultatene ga innsikt i de termiske hendelsene som skjer innenfor et bredere temperaturområde enn dekket i tidligere publiserte modeller. Dette tillot formuleringen av en forbedret termisk modell for å skildre TR. Reaksjonsvarmen, aktiveringsenergien og frekvensfaktoren (termiske tripletter) for hver større eksoterm prosess på materialnivå ble undersøkt i en litiumnikkel-mangan-koboltoksid (NMC (111))-grafittbattericelle. Resultatene ble analysert, og deres kinetikk ble avledet. Disse dataene kan brukes til å simulere den eksperimentelle varmestrømmen.

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 arbeidet tar sikte på å bestemme reaksjonskinetikken til Li-ion-batterikatode og anodematerialer som gjennomgår termisk løping (TR). Samtidig termisk analyse (STA) / Fourier Transform Infrarød (FTIR) spektrometer / gasskromatografi massespektrometri (GC-MS) ble brukt til å avsløre termiske hendelser og for å oppdage utviklede gasser.

identifisering og kvantifisering av dekomponeringsmekanismer i litiumionbatterier; Input til varmestrømsimulering for modellering av termisk løping

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 metoden kan bidra til å identifisere termisk nedbrytningsmekanisme og termiske egenskaper til batterielektronmaterialer. Dette muliggjør en videre forståelse av en termisk løpsk hendelse i en enkelt celle. Fra denne protokollen ble termiske egenskaper til batterimaterialer avledet mer nøyaktig ved å sikre medfødte forhold fra prøvepreparering til prøvelasting og ved å velge passende parametere.Denne teknikken strekker seg mot utviklingen av en forbedret termisk modell for å simulere termisk løping i en enkelt celle. Dette gjør det mulig å vurdere batteriets sikkerhetsytelse bedre for å støtte for eksempel formulering av standarder og forskrifter. Denne metoden gir et nyttig innblikk i materialers termiske stabilitet.Dette kan brukes til å studere andre energiske materialer som eksplosiver, drivmidler, pyroteknikk eller nye materialer. Når materialet varmes opp over tid, samles det inn flere spektra. Derfor er det viktig å knytte enhver faseovergang til de riktige GC-MS- og FTIR-spektraene.For å begynne, ta en polymerseparatorskive med en diameter på 22 millimeter og en tykkelse på 25 mikrometer og legg den på toppen av den nederste delen av polypropylenisolasjonshylsen. Trykk forsiktig ned den øvre delen av isolasjonshylsen for å montere den og sørg for at separatoren er flat. Samle de nødvendige verktøyene og materialene for elektrokjemisk cellemontering og sett dem inn i hanskerommet.Vei elektrodeskivene på en 4-sifret analytisk balanse og registrer verdiene for å bestemme den aktive materialbelastningen. Ta 150 mikroliter av elektrolytten med mikropipetten og legg en dråpe på separatoren som vender mot den nederste delen av isolasjonshylsen. Sett inn grafittanoden ved hjelp av vakuum pick-up pinsett, etterfulgt av det nedre stempelet.Etter å ha vridd isolasjonshylsen, dispenser den gjenværende elektrolytten på separatoren. Bruk en vakuum pick-up pinsett, sett inn NMC-katodeskiven og plasser det øvre stempelet. Monter forsamlingen inne i cellekjernedelen.Plasser O-ringen før du fester alt sammen med boltklemmen. Fjern den elektrokjemiske cellen fra hanskerommet og plasser den inne i temperaturkammeret, og koble deretter til de aktuelle kablene for å koble cellen til syklisten. Kjør den elektrokjemiske syklusprosessen ved å velge filnavnet til protokollen som angir den tilsvarende strømmen for C/20 C-rate, og velg kammernummeret.Etterpå klikker du på Start-knappen. Etter sykkeltrinnet, ta den elektrokjemiske cellen inn i hanskerommet. Demonter cellen og ta ut en elektrode, og sett deretter sammen cellen for å beskytte den gjenværende elektroden mot å tørke ut.Vei elektroden ved hjelp av presisjonsbalansen og legg den på fersk aluminiumsfolie og brett folien. For å tørke elektroden, legg den i forkammeret for overføringshanskerom under vakuum i to timer. Når vekten har stabilisert seg ved x milligram pluss minus 0,01 milligram, legg merke til vekten av den tørkede elektroden.Bruk pinsett og en slikkepott, skrap platen for å høste det belagte materialet for videre karakterisering. For STA-forberedelse, opprett en ny metode ved å åpne STA-programvaren og klikke på Fil, og deretter på Ny. Velg parameterne under kategorien Oppsett i vinduet Måledefinisjon.Gå til kategorien Topptekst, og velg Korrigering for å utføre en korrigeringskjøring med en tom smeltedigel for grunnlinjekorrigering. Skriv navnet på prøven og velg filen for temperatur- og følsomhetskalibreringen som skal brukes til kjøringen. Gå til MFC-gasser og velg Helium som rensegass og beskyttelsesgass.Lag temperaturprogrammet under kategorien Temperaturprogram for å definere oppvarmings- og kjøleprosessen. Sett strømningshastigheten til helium til 100 milliliter per minutt og 20 milliliter per minutt for henholdsvis rensing og beskyttelsesgass. Klikk på GN2 som kjølemedium og STC for prøvetemperaturkontroll for alle segmentene i temperaturprogrammet, fra det isotermiske trinnet ved 5 grader Celsius til slutten av oppvarmingssegmentet.Gå til fanen Siste element og gi et filnavn til denne kjøringen. Bruk presisjonsbalansen og mål vekten på den tomme smeltedigelen. Skriv inn smeltedigelmassen ved siden av navnet på prøven.Åpne sølvovnen og plasser smeltedigelen på DSC/TG-prøveholderen til STA. Evakuer ovnen sakte for å fjerne argon og fyll den på med helium med maksimal strømningshastighet. Gjenta evakueringspåfyllingen minst to ganger for å bli kvitt argonen som kommer fra hanskerommets atmosfære når du åpner ovnen for å plassere diglene.Etter evakuering og påfylling, vent i 15 minutter for å stabilisere vekten. Bruk temperaturprogrammet til å utføre korreksjonskjøringen ved å trykke på Mål. Når løpet er ferdig, ta ut den tomme smeltedigelen.Sett 6 til 8 milligram av det ripete materialet i smeltedigelen. Etter å ha veid prøven i smeltedigelen og registrert massen, forsegler du pannen og lokket ved hjelp av en tetningspresse. Åpne korreksjonskjøringsfilen ved å gå til Fil og Åpne.Under Hurtigdefinisjon-fanen velger du Korrigeringseksempel som målingstype. Skriv navnet og vekten på prøven, og velg et filnavn. Gå til kategorien Temperaturprogram og aktiver FT-alternativet for det isotermiske trinnet på 5 grader Celsius og oppvarmingssegmentet til 590 grader Celsius for å starte FTIR-gassovervåking for disse to segmentene.Klikk på GC-boksen for oppvarmingssegmentet for å utløse GC-MS-analyse. Ta en trakt, sett den inn i Dewar av kvikksølv kadmium tellurid detektorport og fyll den forsiktig med flytende nitrogen. Åpne FTIR-programvaren.I kategorien Grunnleggende parameter laster du inn TG-FTIR-metoden kalt TGA. XPM. Kontroller interferogrammet ved å klikke på kategorien Kontroller signal, og vent deretter til interferogrammet har stabilisert seg før du starter den termiske analysen. Slå på vakuumpumpeledningen for å trekke utviklede gassformige arter fra STA til FTIR og GC-MS.Juster pumpehastigheten til en stabil strømning, som er omtrent 60 milliliter per minutt. Etter å ha lastet metoden i GC-MS-programvaren, klikker du på Kjør metode og fyller ut eksempelnavnet og datafilnavnet, og klikker deretter OK og Kjør metode. I STA-programvaren må du kontrollere temperaturprogrammet, gasstrømmen og sørge for at GC-MS- og FTIR-alternativene er aktivert.Gå til fanen Siste elementer og gi et filnavn til eksemplet for STA- og FTIR-dataene. Trykk på Mål og klikk på Start FTIR-tilkobling for å etablere forbindelsen mellom STA-programvare og FTIR-programvare. Når forbindelsen er opprettet, klikker du på Tare for å sette balansen på null og kontrollere gasstrømmen ved å velge Still inn innledende gasser, og trykk deretter på Start-knappen for å starte kjøringen.Utladningskurven til NMC 111 grafitt elektrokjemisk celle viser et anodepotensial på 50 millivolt, noe som bekrefter fraværet av litiumbelegg. Den termiske nedbrytningsprofilen til anodemateriale viste en skarp endoterm topp i region 1 uten massetap eller gassdannelse. Region 2 viser en bred DSC-varmenedbrytning i tillegg til minimal gassutvikling og massetap.Karbondioksidutslipp ses rundt 100 grader Celsius, men faller før 150 grader Celsius, mens etylenkarbonat begynner å fordampe nær 150 grader Celsius. Region 3 viste betydelig massetap, gassutvikling og varmeutvikling, vist ved en skarp eksoterm topp. Karbondioksid, etylenkarbonat, fosfortrifluorid og etylen ble detektert.Region 4 viser en redusert mengde varmeutslipp med små, delvis overlappende topper, mindre massetap med gassspor av etylen, og etan, metan og propylen ble observert. Økte oppvarmingshastigheter resulterte i høyere topptemperatur bortsett fra topp 1, hvor maksimal topptemperatur skifter til lavere verdier. Kissinger-plott av topp 2 og topp 3 ble brukt til å beregne kinetiske parametere.Reproduserbarhet er avgjørende når du monterer det elektrokjemiske oppsettet og når du åpner cellen for termisk analyse. Derfor er det nødvendig med flere repetisjoner av samme operatør og å følge identiske trinn. Andre analytiske teknikker som SEM-EDX eller XRD kan gi en dypere innsikt i den kjemiske sammensetningen av batterimaterialer, og dessuten kan den vise endringene ved eksponering for ulike miljømessige eller elektrokjemiske forhold.Denne teknikken kan hjelpe forskere til å foreta vurdering av termiske egenskaper til batterimaterialer på en svært systematisk måte, samtidig som det sikres riktig prøvepreparering.

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

Bruk av Stoppet-Flow fluorescens og merkede nukleotider Analyser ATP Omsetning 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 refleksjon Infrarød Spektroskopiske Identifikasjon av Dispersant / Particle Bonding Mekanismer i Funksjonelle 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 ...

Optimization of Synthetic Proteins: Identification of Interpositional Dependencies Indicating Structurally and/or Functionally Linked Residues

Optimalisering av Syntetisk Proteiner: Identifisering av Interpositional Avhengig Hente Strukturelt og / eller Funksjonelt Koblede 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

Radiomerking og Kvantifisering av Cellular Nivåer av Phosphoinositides ved HPLC-coupled 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

Farging fosfor-epitoper i Cilierte Organs av Whole Mount Sebrafisk embryo

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

Utarbeidelse av Biopolymer Aerogels Bruke Grønne Løsemidler

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

Gjenkjennings- og kvantifisering av Plasmodium falciparum i vandig røde blodceller av dempes totale refleksjon infrarødspektroskopi og multivariabel analyse

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-sensitive påvisning av kjemien i batterier gjennom myk X-ray absorpsjon 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

Syntese av porøse Barium Titanate tynn Film og termisk stabilisering av Ferroelectric fase av porøsitet-indusert 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-inspirert Polydopamine overflaten modifikasjon av Nanodiamonds og dens reduksjon av Silver nanopartikler

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