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

Yazarlar, Marc Steen ve Natalia Lebedeva'ya bu makaleyi gözden geçirme ve tartışma konusundaki mükemmel destekleri için zarif bir şekilde teşekkür eder.

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

<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

Lityum-iyon pillerin normal kullanımıyla ilgili riskler ve olası kazalar ciddi bir endişe kaynağı olmaya devam etmektedir. Termal kaçağın (TR) daha iyi anlaşılması için, anot ve katottaki ekzotermik ayrışma reaksiyonları, bir Eşzamanlı Termal Analiz (STA) / Gaz Kromatografisi-Kütle Spektrometrisi (GC-MS) / Fourier Dönüşümü Kızılötesi (FTIR) spektrometre sistemi kullanılarak incelenmiştir. Bu teknikler, evrimleşmiş gaz halindeki türlerin analizi, salınan ısı miktarı ve kütle kaybı nedeniyle her elektrottaki reaksiyon mekanizmalarının tanımlanmasına izin verdi. Bu sonuçlar, daha önce yayınlanan modellerde ele alınandan daha geniş bir sıcaklık aralığında meydana gelen termal olaylara dair fikir verdi. Bu, TR'yi tasvir etmek için geliştirilmiş bir termal modelin formülasyonuna izin verdi. Malzeme seviyesindeki her büyük ekzotermik işlem için reaksiyon ısısı, aktivasyon enerjisi ve frekans faktörü (termal üçlüler), bir Lityum Nikel-Manganez-Kobalt-Oksit (NMC (111))-Grafit pil hücresinde araştırılmıştır. Sonuçlar analiz edildi ve kinetiği türetildi. Bu veriler, deneysel ısı akışını başarılı bir şekilde simüle etmek için kullanılabilir.

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

Bu çalışma, termal kaçak (TR) geçiren Li-ion pil katot ve anot malzemelerinin reaksiyon kinetiğini belirlemeyi amaçlamaktadır. Eşzamanlı Termal Analiz (STA) / Fourier Dönüşümü Kızılötesi (FTIR) spektrometresi / Gaz Kromatografisi Kütle Spektrometresi (GC-MS), termal olayları ortaya çıkarmak ve evrimleşmiş gazları tespit etmek için kullanıldı.

lityum-iyon pillerde ayrışma mekanizmalarının tanımlanması ve miktarının belirlenmesi; Termal Kaçağın Modellenmesi için Isı Akışı Simülasyonuna Giriş

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 ...

Bu yöntem, termal ayrışma mekanizmasının ve pil elektron malzemelerinin termal özelliklerinin belirlenmesine yardımcı olabilir. Bu, tek bir hücredeki termal kaçak olayın daha iyi anlaşılmasını sağlar. Bu protokolden, numune hazırlamadan numune yüklemeye kadar doğuştan gelen koşullar sağlanarak ve amaca uygun parametreler seçilerek akü malzemelerinin termal özellikleri daha doğru bir şekilde elde edilmiştir.Bu teknik, tek bir hücredeki termal kaçağı simüle etmek için geliştirilmiş bir termal modelin geliştirilmesine doğru uzanır. Bu, örneğin standartların ve düzenlemelerin formüle edilmesini desteklemek için akü güvenliği performansının daha iyi değerlendirilmesini sağlar. Bu yöntem, malzemelerin termal kararlılığı hakkında yararlı bir fikir verir.Bu, patlayıcılar, iticiler, piroteknikler veya yeni malzemeler gibi diğer enerjik malzemeleri incelemek için uygulanabilir. Malzeme zamanla ısıtılırken, çoklu spektrumlar toplanmaktadır. Bu nedenle, herhangi bir faz geçişini doğru GC-MS ve FTIR spektrumları ile ilişkilendirmek önemlidir.Başlamak için, 22 milimetre çapında ve 25 mikrometre kalınlığında bir polimer ayırıcı disk alın ve polipropilen yalıtım manşonunun alt kısmının üstüne yerleştirin. Yalıtım manşonunun üst kısmına dikkatlice bastırarak monte edin ve ayırıcının düz olduğundan emin olun. Elektrokimyasal hücre montajı için gerekli alet ve malzemeleri toplayın ve torpido gözünün içine yerleştirin.Elektrot disklerini 4 haneli bir analitik terazide tartın ve aktif malzeme yüklemesini belirlemek için değerleri kaydedin. Mikropipetle birlikte 150 mikrolitre elektrolit alın ve yalıtım manşonunun alt kısmına bakan ayırıcıya bir damla koyun. Grafit anotu, vakum toplama cımbızının yardımıyla yerleştirin, ardından alt pistonu takip edin.İzolasyon manşonunu çevirdikten sonra, kalan elektroliti ayırıcı üzerine dağıtın. Vakumlu bir pikap cımbız kullanarak, NMC katot diskini yerleştirin ve üst pistonu yerleştirin. Montajı hücre çekirdeği parçasının içine monte edin.Her şeyi cıvata kelepçesiyle birlikte sabitlemeden önce O-ring'i yerleştirin. Elektrokimyasal hücreyi torpido gözünden çıkarın ve sıcaklık odasının içine yerleştirin, ardından hücreyi döngüleyiciye bağlamak için uygun kabloları takın. C/20 C oranı için karşılık gelen akımı girerek protokolün dosya adını seçerek elektrokimyasal çevrim işlemini çalıştırın ve oda numarasını seçin.Daha sonra, Başlat düğmesine tıklayın. Döngü adımından sonra, elektrokimyasal hücreyi torpido gözünün içine getirin. Hücreyi sökün ve bir elektrodu çıkarın, ardından kalan elektrodu kurumaya karşı korumak için hücreyi yeniden monte edin.Hassas teraziyi kullanarak elektrodu tartın ve taze alüminyum folyo üzerine yerleştirin ve folyoyu katlayın. Elektrodu kurutmak için, transfer torpido gözü ön odasına iki saat boyunca vakum altında yerleştirin. Ağırlık x miligram artı eksi 0.01 miligramda stabilize olduğunda, kurutulmuş elektrotun ağırlığına dikkat edin.Cımbız ve spatula kullanarak, daha fazla karakterizasyon için kaplanmış malzemeyi toplamak üzere diski çizin. STA hazırlığı için, STA yazılımını açıp Dosya'ya ve ardından Yeni'ye tıklayarak yeni bir yöntem oluşturun. Ölçüm Tanımı penceresinin Ayarlar sekmesi altındaki parametreleri seçin.Üstbilgi sekmesine gidin ve taban çizgisi düzeltmesi için boş bir pota ile bir düzeltme çalıştırması yürütmek üzere Düzeltme'yi seçin. Numunenin adını yazın ve çalışma için kullanılacak sıcaklık ve hassasiyet kalibrasyonu için dosyayı seçin. MFC gazlarına gidin ve tahliye gazı ve koruyucu gaz olarak Helyum'u seçin.Isıtma ve soğutma işlemini tanımlamak için Sıcaklık Programı sekmesi altında sıcaklık programını oluşturun. Helyumun akış hızını sırasıyla boşaltma ve koruyucu gaz için dakikada 100 mililitre ve dakikada 20 mililitre olarak ayarlayın. 5 santigrat derecedeki izotermal adımdan başlayarak ısıtma segmentinin sonuna kadar sıcaklık programının tüm segmentleri için numune sıcaklık kontrolü için soğutma ortamı olarak GN2 ve STC'ye tıklayın.Son Öğe sekmesine gidin ve bu çalıştırmaya bir dosya adı verin. Hassas teraziyi kullanın ve boş potanın ağırlığını ölçün. Pota kütlesini numunenin adının yanına girin.Gümüş fırını açın ve potayı STA'nın DSC / TG numune tutucusuna yerleştirin. argonu çıkarmak için fırını yavaşça boşaltın ve maksimum akış hızında helyumla doldurun. Potaları yerleştirmek için fırını açarken torpido gözü atmosferinden gelen argondan kurtulmak için tahliye dolgunluğunu en az iki kez tekrarlayın.Tahliye ve yeniden doldurmadan sonra, ağırlığı dengelemek için 15 dakika bekleyin. Sıcaklık programını kullanarak, Ölçü tuşuna basarak düzeltme çalışmasını yürütün. Koşu bittiğinde, boş potayı çıkarın.Çizilmiş malzemenin 6 ila 8 miligramını potaya koyun. Numuneyi potada tarttıktan ve kütleyi kaydettikten sonra, bir sızdırmazlık presi kullanarak tavayı ve kapağı kapatın. Dosya ve Aç'a giderek düzeltme çalıştırma dosyasını açın.Hızlı Tanım sekmesi altında, ölçüm türü olarak Düzeltme Örneği'ni seçin. Numunenin adını ve ağırlığını yazın ve bir dosya adı seçin. Sıcaklık Programı sekmesine gidin ve bu iki segment için FTIR gaz izlemeyi başlatmak üzere 5 santigrat derecelik izotermal adım ve 590 santigrat dereceye kadar ısıtma segmenti için FT seçeneğini etkinleştirin.GC-MS analizini tetiklemek için ısıtma segmentinin GC kutusunu tıklayın. Bir huni alın, cıva kadmiyum tellürit dedektörü portunun Dewar'ına yerleştirin ve dikkatlice sıvı azotla doldurun. FTIR yazılımını açın.Temel Parametre sekmesinde, TGA adı verilen TG-FTIR yöntemini yükleyin. XPM. Sinyali Kontrol Et sekmesine tıklayarak interferogramı kontrol edin, ardından termal analize başlamadan önce interferogramın stabilize olmasını bekleyin. STA'dan FTIR ve GC-MS'ye evrimleşmiş gaz türlerini çizmek için vakum pompası hattını açın.Pompalama hızını dakikada yaklaşık 60 mililitre olan sabit bir akışa ayarlayın. Yöntemi GC-MS yazılımına yükledikten sonra, Yöntemi Çalıştır'a tıklayın ve örnek adı ve veri dosyası adını doldurun, ardından Tamam'a ve Yöntemi Çalıştır'a tıklayın. STA yazılımında, sıcaklık programını, gaz akışını doğrulayın ve GC-MS ve FTIR seçeneklerinin etkinleştirildiğinden emin olun.Son Öğeler sekmesine gidin ve STA ve FTIR verileri için örneğe bir dosya adı verin. STA yazılımı ile FTIR yazılımı arasındaki bağlantıyı kurmak için Ölçü tuşuna basın ve FTIR Bağlantısını Başlat'a tıklayın. Bağlantı kurulduktan sonra, dengeyi sıfıra indirmek için Dara üzerine tıklayın ve İlk Gazları Ayarla'yı seçerek gaz akışını kontrol edin, ardından çalıştırmayı başlatmak için Başlat düğmesine basın.NMC 111 grafit elektrokimyasal hücresinin deşarj eğrisi, lityum kaplamanın olmadığını doğrulayan 50 milivoltluk bir anot potansiyeli göstermektedir. Anot malzemesinin termal ayrışma profili, bölge 1'de kütle kaybı veya gaz üretimi olmadan keskin bir endotermik tepe noktası ortaya çıkardı. Bölge 2, minimum gaz evrimi ve kütle kaybına ek olarak geniş bir DSC ısı ayrışması göstermektedir.Karbondioksit emisyonu 100 santigrat derece civarında görülür, ancak 150 santigrat dereceden önce düşerken, etilen karbonat 150 santigrat dereceye yakın buharlaşmaya başlar. Bölge 3, keskin bir ekzotermik tepe noktası ile gösterilen önemli kütle kaybı, gaz evrimi ve ısı üretimi gösterdi. Karbondioksit, etilen karbonat, fosfor triflorür ve etilen tespit edildi.Bölge 4, küçük, kısmen örtüşen zirveler, etilen gaz izleri ile küçük kütle kaybı ve etan, metan ve propilen gözlenen ısı salınımı miktarının azaldığını göstermektedir. Artan ısıtma hızları, maksimum tepe sıcaklığının daha düşük değerlere kaydığı tepe 1 dışında daha yüksek tepe sıcaklığına neden oldu. Kinetik parametreleri hesaplamak için pik 2 ve tepe 3'ün Kissinger grafikleri kullanıldı.Elektrokimyasal kurulumu monte ederken ve hücreyi termal analiz için açarken tekrarlanabilirlik çok önemlidir. Bu nedenle, aynı operatör tarafından birden fazla tekrarlama ve aynı adımları takip etmek gerekir. SEM-EDX veya XRD gibi diğer analitik teknikler, pil malzemelerinin kimyasal bileşimi hakkında daha derin bir fikir verebilir ve dahası, çeşitli çevresel veya elektrokimyasal koşullara maruz kaldığında değişikliklerini gösterebilir.Bu teknik, araştırmacıların uygun numune hazırlamayı sağlarken, pil malzemelerinin termal özelliklerinin çok sistematik bir şekilde değerlendirilmesine yardımcı olabilir.

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

Floresan-Akış durdu ve Etiketli Nükleotidlerinin Kullanım kinesinlerin ATP Ciro Döngüsü Analiz için

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

Fonksiyonel Mürekkepleri Dağıtıcı / Parçacık Bağlar Mekanizmalarının Yansıtma Kızılötesi Spektroskopik Tanımlama Diffüz

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

Sentetik Proteinlerin Optimizasyon: interpozisyonel bağımlılıklar belirlenmesi Yapısal belirten ve / veya Fonksiyonel Bağlantılı tortular

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

Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografi-birleştiğinde Akış Parıldama tarafından Radyoetiketleme ve Fosfoinosititler Hücresel Düzeylerinin Quantification

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

Tüm Dağı Zebra balığı Embriyolar kirpikli Organları boyanmasına Fosfo-epitoplar

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

Yeşil Solventler kullanma Biyopolimer Aerogels Hazırlanması

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

Algılama ve miktar için Plasmodium falciparum içinde sulu kırmızı kan hücreleri tarafından toplam yansıma kızılötesi spektroskopi zayıflatılmış ve çok değişkenli veri analizi

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

Pil ile yumuşak x-ışını soğurma spektroskopisi ve rezonans esnek olmayan x-ışını saçılması kimyada Elemental duyarlı tespiti

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

Kimyasal sentez gözenekli baryum Titanate ince Film ve Ferroelectric faz porozite indüklenen gerilim tarafından termal stabilizasyon

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

Nanodiamonds ve gümüş nano tanecikleri onun azaltılması biyo-ilham Polydopamine yüzey modifikasyonu

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