Les solutions de laboratoire et industrielles soutiennent le développement et la production de batteries lithium-ion, des tests de composants à la contrôle qualité finale de la batterie.
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Des solutions analytiques innovantes pour l’analyse thermique peuvent être utilisées pour tester les composants individuels de la batterie, comme les matériaux d’électrodes anode/cathode, les séparateurs, les électrolytes, etc. Les outils essentiels pour l’étude de la stabilité thermique, les réactions exothermiques et les enthalpies des batteries comprennent analyse calorimétrique différentielle, Thermogravimetrie (TGA),l’analyse thermomécanique (TMA) et analyse mécanique dynamique.
Les risques associés aux situations d’emballement thermique, telles que la surchauffe et l’explosion possible, sont particulièrement importants pour l’utilisation de batteries lithium-ion (LIB) dans les applications de véhicules électriques. La sécurité des batteries est un élément clé pour l’utilisation ultérieure de la technologie des batteries dans notre vie quotidienne.
Ce guide d’application offre un aperçu de la technologie des batteries lithium-ion et explique comment différentes techniques d’analyse thermique peuvent être utilisées pour un hôte de R&D et des applications de contrôle qualité.
Plusieurs exemples d’applications sont présentés :
- Stabilité thermique de la cathode LiFePO4 ingrédient dans l’électrolyte
- Caractérisation de un mélange électrolytique
- Analyse de séparateurs microporeux par TGA et TMA
- Contrôle qualité de PVDF par TGA et DSC
- Conversion de oxyde de graphène en graphène (anode ingrédient)
Applications courantes des techniques d’analyse thermique pour les composants de batteries
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Au obtenir plus d’informations sur les composants de la dégradation à partir d’une seule expérience, un METTLER TOLEDO TGA ou un TGA/DSC peut être couplé à un système d’analyse de gaz approprié. Le nouveau système peut désormais effectuer une analyse des gaz émis (EGA). Une TGA peut être connectée à une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, une spectroscopie de masse, une chromatographie en phase gazeuse-spectroscopie de masse ou une microchromatographie gazeuse-spectroscopie de masse (respectivement spectroscopie FTIR, MS, GC/MS ; Micro GC(/MS).
Principe de fonctionnement de base de une batterie Li-ion
Les LIB se composent de une électrode positive (cathode), d’une électrode négative (anode) et d’une solution électrolytique. Lorsque la cellule se charge, la cathode (généralement de l’oxyde mixte de cobalt et de lithium) est oxydée et l’anode (généralement du graphite) est réduite. Lorsque la cellule décharge, c’est l’inverse qui se produit. Les ions Li+ ne participent pas à la réaction électrochimique globale et restent dans leur état oxydé. Ils voyagent entre l’anode et la cathode par diffusion à travers un électrolyte liquide composé de solvants organiques, de sels de lithium et de divers additifs. Le séparateur assure l’isolation électrique de l’anode et de la cathode mais il est suffisamment poreux pour permettre à l’électrolyte et aux ions Li+ de le traverser facilement.
Électrodes (anodes et cathodes)
Les performances et la sécurité de électrodes sont largement influencées par le vieillissement et la dégradation induits par les charges/décharges de ingrédient de cathode active. Fournissant des mesures précises pour la portée thermique, les températures de décomposition et la détermination de l’enthalpie, les techniques d’analyse thermique sont des aides fondamentales dans les études de stabilité thermique.
Séparateur de batterie
Les séparateurs des batteries Li-ion ont un impact crucial sur les performances et la durée de vie des batteries, aussi puit que la fiabilité et la sécurité. Ils doivent être fins pour permettre aux ions Li+ de se déplacer rapidement entre l’anode et la cathode, mais l’intégrité structurelle de séparateur est importante car sa dégradation pourrait entraîner un court-circuit interne.
L’analyse thermique est utilisée pour caractériser les propriétés thermiques de séparateurs, généralement fabriqués à partir de polyoléfines (par exemple PP ou PE). Les limites technologiques de ces membranes comprennent la résistance à la pénétration, le retrait et la fusion. Ces propriétés peuvent être étudiées par de Thermogravimetrie (TGA), analyse calorimétrique différentielle et analyse thermomécanique (TMA).
Électrolytes
La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) peut être utilisée en CQ pour étudier la composition et la teneur de carbonates dans les solutions électrolytiques, ce qui a des implications importantes pour la stabilité cyclique, la densité énergétique et la sécurité de batteries lithium-ion. DSC fournit également des informations sur la fusion et la cristallisation de l’électrolyte afin de déterminer les températures minimales pour la charge/décharge procédé.
