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

Författare tackar graciöst Marc Steen och Natalia Lebedeva för det utmärkta stödet att granska och diskutera detta manuskript.

Författarna har inget att avslöja.

Behovet av att fasa ut fossila bränslen i ekonomin i kombination med ökande energibehov –  till följd av den socioekonomiska utvecklingen och klimatförändringarna –  kräver en stor förändring av energisystemet för att hantera de utmaningar som den globala uppvärmningen och bränslebristenmedför 1,2. Ren energiteknik som vindkraft och solenergi anses vara de bästa alternativen till ett fossilbränsledominerat energisystem3. De är dock intermittenta och lagring av energi kommer att bidra till att säkerställa kontinuitet i energiförsörjningen. Egenskaper som hög specifik energitäthet, stabil cykelprestanda och effektivitet gör litiumjonbatterier (LIB) lovande kandidater som elektrokemiskt energilagringssystem. Kostnaden och bristen på tillförlitlig drift av LIB kan hindra en bredare tillämpning i elnätet, i form av ett stort stationärt batterisystem 4,5. En ytterligare aspekt att tänka på är att kombinationen av högenergiska material med brandfarliga organiska lösningsmedelsbaserade elektrolyter kan leda till farliga förhållanden som brand, utsläpp av giftiga gaser och explosion 6,7. Därför måste man ta itu med säkerhetsfrågor i LIB.
Sedan tidig kommersialisering rapporterades ett antal olyckor i nuvarande applikationer (bärbara elektroniska enheter, elbilar och hjälpkraftaggregat i flygplan) i nyheterna 8,9. Till exempel, trots högkvalitativ produktion, Sony bärbara batterier incident10, de två Boeing 787 incidenterna 11,12, Samsung Galaxy Notes 7 incidenter13 antas hända av interna kortslutningar i en cell. Tester har utvecklats för att bedöma säkerhetsrisker14,15,16,17. Överladdning, överurladdning, extern uppvärmning, mekaniskt missbruk och intern / extern kortslutning är felmekanismer som är kända för att utlösa termisk rusning (TR)18 och har inkluderats i vissa standarder och föreskrifter. Under denna process uppstår en serie exoterma reaktioner som orsakar en drastisk och snabb temperaturökning. När den genererade värmen inte kan avledas tillräckligt snabbt utvecklas detta tillstånd till en TR19,20. Dessutom kan en enda cell sedan generera tillräckligt med värme för att utlösa de närliggande cellerna, inom en modul eller inom en förpackningsenhet, till TR; skapa en termisk utbredningshändelse (TP). Begränsningsstrategier som att öka cellavståndet i en modul, användningen av isoleringsmaterial och en specifik stil för cellsammankopplingsflik har alla visat sig begränsa spridningsfenomenet21. Även elektrolytstabiliteten och strukturstabiliteten hos olika katodmaterial i närvaro av elektrolyt, vid förhöjd temperatur, har undersökts för att minska sannolikheten för TR22.
visade de kombinerade effekterna av nedbrytningsmekanismerna från långvarig cykling och överurladdning på LIB-celler23. Beroende på urladdningens svårighetsgrad rapporterades fenomen som Li-plätering, katodpartikelsprickning, upplösning av Cu-strömuppsamlare, katodpartikelsönderdelning, bildning av Cu- och Li-broar som de huvudsakliga nedbrytningsmekanismerna som observerades i dessa tester. Dessutom studerade de den kombinerade effekten av åldrande och överladdning på en LIB-cell för att belysa nedbrytningsmekanismerna24. På grund av omfattningen av överladdningsregimen var nedbrytningsbeteenden som observerades för cellen kapacitetsblekning, elektrolytnedbrytning, Li-plätering, delaminering av aktivt material, partikelsprickbildning och produktion av gaser. Dessa kombinerade missbruksförhållanden kan orsaka att de aktiva materialen genomgår exoterma reaktioner som kan generera tillräcklig värme för att initiera termisk flykt.
För att undvika säkerhetsrelaterade problem måste litiumjonbatterier klara flera tester som definieras i olika standarder och föreskrifter14. Variation i celldesign (påse, prismatisk, cylindrisk), tillämplighet av tester begränsad till en viss nivå (cell, modul, förpackning), olika utvärderings- och acceptanskriterier definierade, belyser dock behovet av att förena riktlinjer och säkerhetskrav i standarder och föreskrifter25,26,27. En tillförlitlig, reproducerbar och kontrollerbar metod, med enhetliga testförhållanden för att utlösa en intern kortslutning (ISC) med efterföljande TR, tillsammans med enhetliga utvärderingskriterier, är fortfarande under utveckling28. Dessutom finns det inte ett enda överenskommet protokoll för att bedöma riskerna i samband med förekomsten av TP i ett batteri under normal drift20,25.
För att upprätta ett testprotokoll som simulerar ett realistiskt fältfelsscenario måste ett stort antal kombinationer av ingångsparametrar (t.ex. designparametrar för cellen såsom kapacitet, yt-volymförhållande, elektrodernas tjocklek, ISC-utlösningsmetod, plats etc.) undersökas experimentellt för att bestämma det bästa sättet att utlösa TR inducerad av intern kortslutning. Detta kräver oöverkomliga labbinsatser och kostnader. Ett alternativt tillvägagångssätt består av användning av modellering och simulering för att utforma en lämplig utlösningsmetod. Icke desto mindre kan 3D-termisk modellering av batterier vara oöverkomligt beräkningsmässigt dyr, med tanke på antalet bedömningar som behövs för att täcka effekten av alla möjliga kombinationer av parametrar som potentiellt styr TR inducerad av en intern kortslutning.
I litteraturen har termiska sönderdelningsmodeller utvecklats för att simulera elektrokemiska reaktioner och termiskt svar från olika typer av litiumjonbatterier under olika missbruksförhållanden, såsom nagelpenetration29, överladdning30 eller konventionellt ugnstest31. I ett försök att förstå katodmaterialets stabilitet sammanställde Parmananda et al. experimentella data om accelererande hastighetskalorimeter (ARC) från litteraturen32. De har extraherat kinetiska parametrar från dessa data, utvecklat en modell för att simulera det kalorimetriska experimentet och använda dessa kinetiska parametrar för termisk stabilitetsförutsägelse av en rad katodmaterial32.
I referenserna 29,30,31 och många andra studier, en kombination av samma modeller33,34,35,36 ─ beskrivande; värmefrisättning från sönderdelning av anod och fast elektrolytgränssnitt (SEI) -skikt; sönderdelning av katod och sönderdelning av elektrolyt ─  har använts upprepade gånger under flera år som grund för modellering av termisk runaway. Det senare har också förbättrats med tiden, till exempel genom att lägga till ventilationsförhållanden37. Denna serie av modeller utvecklades emellertid ursprungligen för att fånga starttemperaturen för en TR och inte för att modellera termisk runaway svårighetsgrad.
Eftersom termisk runaway är en okontrollerad termisk sönderdelning av batterikomponenter är det av yttersta vikt att identifiera sönderdelningsreaktionerna i anod och katod för att kunna designa säkrare Li-ion-battericeller och mer exakta testmetoder. För detta ändamål är målet med denna studie att undersöka termiska sönderdelningsmekanismer i NMC (111) katod och grafitanod för utveckling av en förenklad men ändå tillräckligt exakt reaktionskinetisk modell, som kan användas vid simulering av TR.
Här föreslår vi användning av kopplad analysutrustning: Differentiell skanningskalorimetri (DSC) och termisk gravimetrisk analys (TGA) i ett enda samtidig termisk analys (STA) instrument. Denna utrustning är kopplad till gasanalyssystemet, som består av Fouriertransform infraröd spektroskopi (FTIR) och gaskromatografi-masspektrometri (GC-MS). De bindestreckade STA/FTIR/GC-MS-teknikerna gör det möjligt för oss att få en bättre förståelse för orsakerna och processerna till termisk runaway i en enda cell. Dessutom kommer detta att bidra till att identifiera termiska sönderdelningsprocesser. Avstavning avser onlinekombinationen av olika analystekniker.
Upplägget för detta skräddarsydda integrerade system visas i figur 1. STA-utrustningen, som används i den aktuella studien, är placerad i en handskfack, vilket garanterar hantering av komponenter i en skyddande atmosfär. Den senare är kopplad till FTIR och GC-MS via uppvärmda överföringsledningar (150 °C) för att undvika kondensering av förångade material längs linjerna. Avstavningen av dessa analytiska tekniker möjliggör samtidig studie av termiska egenskaper och identifiering av frigjorda gaser, vilket ger information om mekanismerna för de termiskt inducerade sönderdelningsreaktionerna. För att ytterligare minska påverkan av oönskade kemiska reaktioner i elektroderna under provberedningen utförs provhantering och provbelastning inuti en argonfylld handskfack. De demonterade elektroderna sköljs inte och inga ytterligare elektrolyter tillsätts till degeln.
STA möjliggör identifiering av fasövergångar under uppvärmningsprocessen, tillsammans med noggrann bestämning av temperaturer och entalpier associerade med dessa fasövergångar, inklusive de utan massförändring. Kombinationen av on-line FTIR- och GC-MS-metoder med STA ger en kvalitativ bedömning av gaser som utvecklats från provet under dess termiska sönderdelning. Detta är nyckeln till att identifiera termiskt inducerade reaktionsmekanismer. Faktum är att STA/FTIR/GC-MS-kopplat system gör det möjligt att korrelera massförändringar, värmeflöde och detekterade gaser.
FTIR och GC-MS har alla sina fördelar och begränsningar. Den höga känsligheten hos GC-MS möjliggör snabb och enkel detektering av molekyler från toppar med låg intensitet. Dessutom kompletterar FTIR-data väl den information som tillhandahålls av medlemsstaternas spektrummönster för att uppnå strukturell identifiering av organiska flyktiga arter. FTIR är dock mindre känsligt. Dessutom har diatomiska molekyler, såsom H2, N2, O2, inte ett permanent dipolmoment och är inte infraröda aktiva. Därför kan de inte detekteras med infraröd absorption. Tvärtom kan små molekyler som CO2, CO,NH3 ochH2O identifieras med höggrad av säkerhet38. Sammantaget gör informationen från dessa kompletterande metoder det möjligt att få insikt om de gaser som släpps ut under termisk karakterisering.
För att kontrollera den senaste tekniken när det gäller termiska sönderdelningsreaktioner identifierade för litiumnickelmangankoboltoxid (NMC (111)) katod, grafit (Gr) anod och 1M LiPF6 i etylenkarbonat (EC) / dimetylkarbonat (DMC) = 50/50 (v / v) elektrolyt, utfördes en litteraturöversikt. I tabell 1, tabell 2 och tabell 3 sammanfattas de viktigaste resultaten.
Inom området termisk karakterisering av batterikomponenter har provberedningsmetoden en signifikant effekt på DSC-experimentella resultat eftersom detta påverkar DSC-signalen. Många studier har rapporterat olika tillvägagångssätt när det gäller elektrodhantering. Vissa variationer inkluderar 1) repa aktivt material från elektrod utan föregående sköljning eller tillsats av extra mängd elektrolyt, t.ex.,54,55; 2) skölja/torka/repa aktivt material och tillsätta en viss mängd elektrolyt med det i degeln, t.ex.,55,56; 3) skölja/torka/repa aktivt material utan tillsats av elektrolyt i ett senare skede (t.ex. se referens57). I litteraturen finns det emellertid ingen allmän överenskommelse om provberedningsteknikerna. Tvättning av elektroden påverkar integriteten och reaktanterna i SEI58, som i sin tur modifierar mängden värme som genereras från dess sönderdelning 34,59. Å andra sidan finns det ingen tydlig indikation eller tillräckliga detaljer om mängden tillsatt elektrolyt till de skördade materialen före termisk analys.
I detta arbete minimeras SEI-modifieringen genom att inte tvätta elektroden och utesluta elektrolyttillsats, i ett försök att karakterisera elektrodmaterialet i sitt ursprungliga tillstånd, samtidigt som dess återstående elektrolytinnehåll bibehålls. Genom att inse att SEI termisk sönderdelning är en potentiell utlösare för termisk flykt, förväntas denna beredningsmetod möjliggöra en bättre förståelse av elektrodens termiska egenskaper, under testförhållanden, utan upplösning av vissa SEI-produkter. Faktum är att nedbrytningen av SEI-skiktet på anoden i allmänhet är det första steget i batterifel som initierar en självuppvärmningsprocess 39,41,60.
En annan viktig fråga inom termisk analys är mätförhållandena (typ av degel, öppen / sluten degel, atmosfär) som påverkar DSC-signalen som ska mätas. I detta fall är det uppenbart att användningen av en hermetiskt sluten degel inte är lämplig för de bindestreckade STA/GC-MS/FTIR-teknikerna, vilket innebär identifiering av utvecklade gaser. I ett halvslutet system kan storleken på öppningen i det perforerade degellocket ha ett starkt inflytande på mätresultaten. Om storleken är liten är termiska data jämförbara med en förseglad degel61. Tvärtom förväntas ett stort hål i locket minska den uppmätta termiska signalen på grund av tidig frisättning av nedbrytningsprodukter med låg temperatur. Som ett resultat skulle dessa arter inte vara involverade i processer med högre temperatur61. Faktum är att ett slutet eller halvslutet system möjliggör längre uppehållstid för arten, transformerad från kondenserad till ångfas inuti degeln. Ett laserskuret ventilationshål på 5 μm i degellocket har valts för undersökning av termiskt beteende och utvecklade gaser av grafitanod och NMC (111) katod. Med tanke på storleken på det laserskurna hålet antar vi att systemet inuti degeln troligen kan avbilda, en enkel men rimlig approximation av dynamiken inuti båda, en sluten battericell och en battericellsventilation.
Detta nuvarande arbete bygger på en tidigare publikation av samma författare48. Detta dokument fokuserar dock mer detaljerat på den experimentella delen och belyser fördelarna med de använda teknikerna och testförhållandena för att nå målet med detta arbete.
Så vitt författarna vet finns det begränsad forskning publicerad om elektrodmaterialets termiska beteende, med hjälp av den exakta kombinationen av dessa analysinstrument STA/FTIR/GC-MS, analytiska parametrar och provberedning/hantering för att belysa kemiska reaktionsmekanismer på materialnivå under termisk sönderdelning. undersökte de utvecklade gaserna på ett kontinuerligt sätt, med hjälp av FTIR och GC-MS, i en battericylindrisk cell som genomgick ett överladdat missbrukstest, i en sluten kammare62. De har identifierat och kvantifierat gaserna under detta test, men förståelsen för reaktionsmekanismer är fortfarande oklar. För att utveckla en TR-runaway-modell har Ren et al. också genomfört DSC-experiment på materialnivå för att beräkna kinetiska triplettparametrar för exoterma reaktioner55. De har identifierat sex exoterma processer, men reaktionsmekanismerna bestämdes inte och de använde inte kopplade gasanalystekniker.
har å andra sidan föreslagit en trestegs TR-mekanism i LIB-cell med tre karakteristiska temperaturer som kan användas som index för att bedöma termisk säkerhet för batteri63. För detta ändamål har de använt en termisk databas med data från ARC. Detaljer om de kemiska reaktioner som ligger till grund för dessa tre mekanismer tillhandahålls dock inte.
I denna studie är de data som erhållits genom dessa termiska analysmetoder väsentliga för utvecklingen av den kinetiska modellen där de viktigaste termiska sönderdelningsprocesserna bör bestämmas och beskrivas korrekt. Den kinetiska termiska tripletten, nämligen aktiveringsenergin, frekvensfaktorn och reaktionsvärmen, beräknas för de olika delprocesserna som äger rum i båda elektroderna under termiskt inducerad sönderdelning, med användning av tre olika uppvärmningshastigheter: 5, 10 och 15 °C / min. I tillämpliga fall användes Kissingermetoden64,65 för bestämning av aktiveringsenergi och frekvensfaktor, enligt Arrhenius ekvation. Kissinger-metoden är tillämplig när DSC-toppen skiftar till högre temperatur med ökande uppvärmningshastighet. Reaktionsentalpi erhålls genom att integrera reaktionstoppens area, mätt med DSC. Från dessa termiska data och mätosäkerheterna föreslås en reaktionskinetisk modell för att simulera dynamiken i en termisk runaway. I den andra delen av detta arbete66 kommer denna nyutvecklade modell att användas för att bestämma sannolikheten för en TR-händelse som en funktion av parametrarna för en ISC-utlösningsmetod.
Schemat som visas i figur 2 sammanfattar sekvensen av steg som behövs för att genomföra protokollet. Det första steget består i att montera den elektrokemiska cellen med de batterimaterial som undersöks, nämligen NMC (111)/Gr.
För att kunna skörda batterimaterialen efter elektrokemisk cykling och laddningsstatus (SOC) justering till 100% användes en återförslutningsbar elektrokemisk cell levererad av EL-CELL (ECC-PAT-Core). Detta möjliggjorde en smidig cellöppningsprocess utan skador på elektroderna. När batterimaterialen har skördats utförs 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

Riskerna och eventuella olyckor i samband med normal användning av litiumjonbatterier är fortfarande ett allvarligt problem. För att få en bättre förståelse för termisk runaway (TR) studerades de exoterma sönderdelningsreaktionerna i anod och katod med hjälp av en samtidig termisk analys (STA) / gaskromatografi-masspektrometri (GC-MS) / Fourier Transform Infrared (FTIR) spektrometersystem. Dessa tekniker möjliggjorde identifiering av reaktionsmekanismerna i varje elektrod på grund av analysen av utvecklade gasformiga arter, mängden värme som frigörs och massförlust. Dessa resultat gav insikt i de termiska händelser som händer inom ett bredare temperaturområde än vad som täckts i tidigare publicerade modeller. Detta möjliggjorde formuleringen av en förbättrad termisk modell för att skildra TR. Reaktionsvärme, aktiveringsenergi och frekvensfaktor (termiska tripletter) för varje större exoterm process på materialnivå undersöktes i en litiumnickel-mangan-koboltoxid (NMC (111))-grafitbattericell. Resultaten analyserades och deras kinetik härleddes. Dessa data kan användas för att framgångsrikt simulera det experimentella värmeflödet.

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

Detta arbete syftar till att bestämma reaktionskinetiken för Li-ion-batterikatod och anodmaterial som genomgår termisk runaway (TR). Samtidig termisk analys (STA) / Fourier Transform Infrared (FTIR) spektrometer / gaskromatografi masspektrometri (GC-MS) användes för att avslöja termiska händelser och för att detektera utvecklade gaser.

Identifiering och kvantifiering av sönderdelningsmekanismer i litiumjonbatterier. Ingång till värmeflödessimulering för modellering av termisk runaway

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 ...

Denna metod kan hjälpa till att identifiera termisk sönderdelningsmekanism och termiska egenskaper hos batterielektronmaterial. Detta möjliggör en ytterligare förståelse av en termisk runaway-händelse i en enda cell. Från detta protokoll härleddes termiska egenskaper hos batterimaterial mer exakt genom att säkerställa medfödda förhållanden från provberedning till provladdning och genom att välja lämpliga parametrar.Denna teknik sträcker sig mot utvecklingen av en förbättrad termisk modell för att simulera termisk runaway i en enda cell. Detta möjliggör då en bättre bedömning av batteriets säkerhetsprestanda för att stödja till exempel formuleringen av standarder och föreskrifter. Denna metod ger en användbar inblick i materialets termiska stabilitet.Detta kan tillämpas för att studera andra energiska material som sprängämnen, drivmedel, pyroteknik eller nya material. Eftersom materialet värms upp över tid samlas flera spektra in. Därför är det viktigt att associera varje fasövergång med rätt GC-MS- och FTIR-spektra.För att börja, ta en polymerseparatorskiva med en diameter på 22 millimeter och en tjocklek på 25 mikrometer och placera den ovanpå den nedre delen av polypropenisoleringshylen. Tryck försiktigt ner den övre delen av isoleringshylsan för att montera den och se till att separatorn är platt. Samla nödvändiga verktyg och material för elektrokemisk cellmontering och sätt in dem i handskfacket.Väg elektrodskivorna på en 4-siffrig analysbalans och registrera värdena för att bestämma den aktiva materialbelastningen. Ta 150 mikroliter elektrolyten med mikropipetten och sätt en droppe på separatorn mot isoleringshylsans nedre del. Sätt i grafitanoden med hjälp av vakuumupptagningspincetten, följt av den nedre kolven.Efter att ha vridit isoleringshylsan, fördela den återstående elektrolyten på separatorn. Använd en vakuumupptagningspincett och sätt i NMC-katodskivan och placera den övre kolven. Montera enheten inuti cellkärndelen.Placera O-ringen innan du fäster allt tillsammans med bultklämman. Ta bort den elektrokemiska cellen från handskfacket och placera den inuti temperaturkammaren och anslut sedan lämpliga kablar för att ansluta cellen till cykeln. Kör den elektrokemiska cykelprocessen genom att välja filnamnet på protokollet som anger motsvarande ström för C/20 C-hastighet och välj kammarnummer.Klicka sedan på Start-knappen. Efter cykelsteget, ta med den elektrokemiska cellen inuti handskfacket. Demontera cellen och ta ut en elektrod och sätt sedan ihop cellen igen för att skydda den återstående elektroden från att torka ut.Väg elektroden med precisionsbalansen och lägg den på färsk aluminiumfolie och vik folien. För att torka elektroden, placera den i överföringshandskfackets förkammare under vakuum i två timmar. När vikten har stabiliserats vid x milligram plus minus 0,01 milligram, notera vikten av den torkade elektroden.Använd pincett och en spatel och repa skivan för att skörda det belagda materialet för ytterligare karakterisering. För STA-förberedelse, skapa en ny metod genom att öppna STA-programvaran och klicka på Arkiv och sedan på Ny. Välj parametrarna under fliken Inställningar i fönstret Måttdefinition.Gå till fliken Rubrik och välj Korrigering för att köra en korrigeringskörning med en tom degel för baslinjekorrigering. Skriv namnet på provet och välj filen för temperatur- och känslighetskalibreringen som ska användas för körningen. Gå till MFC-gaser och välj Helium som reningsgas och skyddsgas.Skapa temperaturprogrammet under fliken Temperaturprogram för att definiera värme- och kylprocessen. Ställ in flödeshastigheten för helium till 100 ml per minut och 20 ml per minut för rensning respektive skyddsgas. Klicka på GN2 som kylmedium och STC för provtemperaturkontroll för alla segment i temperaturprogrammet, från det isotermiska steget vid 5 grader Celsius till slutet av värmesegmentet.Gå till fliken Senaste objekt och ge ett filnamn till den här körningen. Använd precisionsbalansen och mät vikten på den tomma degeln. Ange degelmassan bredvid provets namn.Öppna silverugnen och placera degeln på DSC/TG-provhållaren i STA. Evakuera ugnen långsamt för att avlägsna argon och fyll på den med helium med maximal flödeshastighet. Upprepa evakueringspåfyllningen minst två gånger för att bli av med argonen som kommer från handskfackets atmosfär när du öppnar ugnen för att placera deglarna.Efter evakuering och påfyllning, vänta i 15 minuter för att stabilisera vikten. Använd temperaturprogrammet och kör korrigeringen genom att trycka på Mät. När körningen är klar, ta ut den tomma degeln.Lägg 6 till 8 milligram av det repade materialet i degeln. Efter att ha vägt provet i degeln och registrerat massan, försegla pannan och locket med en tätningspress. Öppna korrigeringskörningsfilen genom att gå till Arkiv och Öppna.Under fliken Snabbdefinition väljer du Korrigeringsexempel som måtttyp. Skriv namnet och vikten på exemplet och välj ett filnamn. Gå till fliken Temperaturprogram och aktivera FT-alternativet för det isotermiska steget på 5 grader Celsius och värmesegmentet till 590 grader Celsius för att starta FTIR-gasövervakning för dessa två segment.Klicka på GC-rutan för värmesegmentet för att utlösa GC-MS-analys. Ta en tratt, sätt in den i Dewar i kvicksilverkadmiumtelluriddetektorporten och fyll den försiktigt med flytande kväve. Öppna FTIR-programvaran.På fliken Grundläggande parameter läser du in TG-FTIR-metoden som kallas TGA. XPM. Kontrollera interferogrammet genom att klicka på fliken Kontrollera signal och vänta sedan tills interferogrammet har stabiliserats innan du startar den termiska analysen. Slå på vakuumpumpledningen för att dra utvecklade gasformiga arter från STA till FTIR och GC-MS.Justera pumphastigheten till ett stabilt flöde, vilket är cirka 60 ml per minut. När du har laddat metoden i GC-MS-programvaran klickar du på Kör metod och fyller i exempelnamnet och datafilnamnet, klickar sedan på OK och Kör metod. I STA-programvaran verifierar du temperaturprogrammet, gasflödet och ser till att GC-MS- och FTIR-alternativen är aktiverade.Gå till fliken Sista objekt och ge ett filnamn till exemplet för STA- och FTIR-data. Tryck på Mät och klicka på Starta FTIR-anslutning för att upprätta anslutningen mellan STA-programvara och FTIR-programvara. När anslutningen är upprättad klickar du på Tare för att sätta balansen på noll och kontrollera gasflödet genom att välja Ställ in initiala gaser och tryck sedan på Start-knappen för att starta körningen.Urladdningskurvan för NMC 111 grafitelektrokemisk cell visar en anodpotential på 50 millivolt, vilket bekräftar frånvaron av litiumplätering. Den termiska sönderdelningsprofilen för anodmaterial avslöjade en skarp endoterm topp i region 1 utan massförlust eller gasgenerering. Region 2 visar en bred DSC-värmenedbrytning utöver minimal gasutveckling och massförlust.Koldioxidutsläppen ses runt 100 grader Celsius, men sjunker före 150 grader Celsius, medan etylenkarbonat börjar avdunsta nära 150 grader Celsius. Region 3 visade betydande massförlust, gasutveckling och värmeproduktion, vilket visades av en skarp exoterm topp. Koldioxid, etylenkarbonat, fosfortrifluorid och eten detekterades.Region 4 visar en minskad mängd värmeutsläpp med små, delvis överlappande toppar, mindre massförlust med gasspår av eten och etan, metan och propen observerades. Ökade uppvärmningshastigheter resulterade i högre topptemperatur förutom topp 1, där den maximala topptemperaturen skiftar till lägre värden. Kissinger-tomter av topp 2 och topp 3 användes för att beräkna de kinetiska parametrarna.Reproducerbarhet är av största vikt vid montering av den elektrokemiska installationen och när cellen öppnas för termisk analys. Därför behövs flera repetitioner av samma operatör och efter identiska steg. Andra analytiska tekniker som SEM-EDX eller XRD kan ge en djupare inblick i den kemiska sammansättningen av batterimaterial, och dessutom kan den visa sina förändringar vid exponering för olika miljö- eller elektrokemiska förhållanden.Denna teknik kan hjälpa forskare att göra bedömningen av termiska egenskaper hos batterimaterial på ett mycket systematiskt sätt, samtidigt som man säkerställer korrekt provberedning.

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

Användning av stoppat flöde Fluorescens och märkta nukleotider Analysera ATP Omsättning cyklar av kinesiner

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

Diffusreflektans infraröd spektroskopi Identifiering dispergeringsmedel / Particle limning mekanismer i Funktionella bläck

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

Optimering av syntetiska proteiner: Namnet på Interpositional beroenden Indikerings strukturellt och / eller funktionellt knutna Stoder

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

Radiomärkning och kvantifiering av cellulära nivåerna av fosfoinositider från High Performance Liquid Chromatography kopplade 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

Immunfärgning fosfor-epitoper i cilieorgans Hela Mount Zebrafish embryon

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

Framställning av Biopolymer Aerogel använda grön Lösningsmedel

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

Identifiering och kvantifiering av Plasmodiumfalciparum i vattenlösning röda blodkroppar av försvagade Total reflektion infraröd spektroskopi och multivariat dataanalys

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-känslig detektion av kemi i batterier genom mjuk X-ray Absorption spektroskopi och Resonant oelastisk X-ray Scattering

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

Kemisk syntes av porösa Barium Titanate tunn Film och termisk stabilisering av ferroelektrisk fas av porositet-inducerad stam

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-inspirerade Polydopamine yta ändring av Nanodiamonds och dess förminskning av Silvernanopartiklar

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