Labor- und Industrielösungen unterstützen die Entwicklung und Produktion von Lithium-Ionen-Batterien, von der Prüfung der Komponenten bis zur Qualitätskontrolle der Batterien.
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Innovative analytische Lösungen für die thermische Analyse können zur Prüfung einzelner Batteriekomponenten wie Anoden-/Kathodenelektrodenmaterialien, Separatoren, Elektrolyten und mehr eingesetzt werden. Zu den wichtigen Instrumenten für die Untersuchung der thermischen Stabilität, der exothermen Reaktionen und der Enthalpien von Batterien gehören die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC),Thermogravimetrie (TGA),thermomechanische Analyse (TMA) und die dynamisch-mechanische Analytik (DMA).
Risiken im Zusammenhang mit thermischen Runaway Reaktionen, wie Überhitzung und mögliche Explosionen, sind besonders wichtig für die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) in EV-Anwendungen. Batteriesicherheit ist eine Schlüsselkomponente für den weiteren Einsatz der Batterietechnologie in unserem Alltag.
Dieser Anwendungsleitfaden gibt einen Überblick über die Lithium-Ionen-Batterietechnologie und zeigt, wie verschiedene thermische Analysetechniken für eine Vielzahl von F&E- und QC-Anwendungen eingesetzt werden können.
Die folgenden Anwendungsbeispiele werden vorgestellt:
- Thermische Stabilität von LiFePO4-Kathodenmaterial im Elektrolyten
- Charakterisierung einer Elektrolytmischung
- Analyse von mikroporösen Separatoren mittels TGA und TMA
- Qualitätskontrolle von PVDF mittels TGA und DSC
- Umwandlung von Graphenoxid in Graphen (Anodenmaterial)
Allgemeine Anwendungen für thermische Analysetechniken für Batteriekomponenten
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Um mit einem einzigen Experiment mehr Informationen über die Abbauprodukte zu erhalten, kann eine METTLER TOLEDO TGA oder TGA/DSC mit einem geeigneten Gasanalysesystem verbunden werden. Das neue System kann nun auch die Analytik der entstehenden Gase (Evolved Gas - EGA) durchführen und somit qualitative als auch quantitative Ergebnisse liefern. Eine TGA kann mit einer Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie, Massenspektroskopie, Gaschromatographie-Massenspektroskopie oder Mikro-Gaschromatographie-Massenspektroskopie (bzw. FTIR-Spektroskopie, MS, GC/MS; Micro GC(/MS)) verbunden werden.
Grundlegendes Arbeitsprinzip einer Li-Ionen-Batterie
LIBs bestehen aus einer positiven Elektrode (Kathode), einer negativen Elektrode (Anode) und einer Elektrolytlösung. Beim Laden der Zelle wird die Kathode (in der Regel Lithiumkobaltoxid) oxidiert und die Anode (in der Regel Graphit) reduziert. Beim Entladen der Zelle geschieht das Gegenteil. Die Li+-Ionen nehmen nicht an der elektrochemischen Gesamtreaktion teil und bleiben in ihrem oxidierten Zustand. Sie wandern zwischen Anode und Kathode durch Diffusion durch einen flüssigen Elektrolyten, der aus organischen Lösungsmitteln, Lithiumsalzen und verschiedenen Zusatzstoffen besteht. Der Separator sorgt dafür, dass Anode und Kathode elektrisch isoliert bleiben, ist aber porös genug, damit der Elektrolyt und die Li+-Ionen ihn leicht passieren können.
Elektroden (Anoden und Kathoden)
Die Leistung und Sicherheit von Elektroden wird in hohem Maße von der durch Ladung/Entladung verursachten Alterung und Degradation des aktiven Kathodenmaterials beeinflusst. Mit präzisen Messungen der Wärmekapazität, der Zersetzungstemperaturen und der Bestimmung der Enthalpie sind thermische Analyseverfahren ein grundlegendes Hilfsmittel bei Studien zur thermischen Stabilität.
Batterie-Separator
Separatoren für Li-Ionen-Batterien haben einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung und Lebensdauer der Batterie sowie auf ihre Zuverlässigkeit und Sicherheit. Sie müssen dünn sein, damit sich die Li+-Ionen schnell zwischen Anode und Kathode bewegen können, aber auch die strukturelle Integrität des Separators ist wichtig, da seine Beschädigung zu einem internen Kurzschluss führen könnte.
Die thermische Analyse wird zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaften von Separatoren verwendet, die in der Regel aus Polyolefinen (z. B. PP oder PE) hergestellt werden. Zu den technologischen Einschränkungen solcher Membranen gehören Durchdringungsfestigkeit, Schrumpfung und Schmelzen. Diese Eigenschaften können mit Hilfe der Thermogravimetrie (TGA), der Differentialscanningkalorimetrie (DSC) und der thermomechanischen Analyse (TMA) untersucht werden.
Elektrolyte
Die Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) kann in der Qualitätskontrolle eingesetzt werden, um die Zusammensetzung und den Gehalt an Karbonaten in Elektrolytlösungen zu untersuchen, die wichtige Auswirkungen auf die Zyklenstabilität, Energiedichte und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien haben. DSC liefert auch Informationen über das Schmelzen und die Kristallisation von Elektrolyten, um die Mindesttemperaturen für Lade-/Entladevorgänge zu bestimmen.
