Soluções laboratoriais e industriais apoiam o desenvolvimento e a produção de baterias de íons de lítio, desde o teste de componentes até o controle final de qualidade da bateria.
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Soluções analíticas inovadoras para análise térmica podem ser usadas para testar componentes individuais da bateria, como materiais de eletrodos de ânodo/cátodo, separadores, eletrólitos e muito mais. Ferramentas críticas para a investigação de estabilidades térmicas de baterias, reações exotérmicas e entalpias incluem calorimetria exploratória diferencial (DSC),termogravimetria (TGA),análise termomecânica (TMA) e análise dinâmico-mecânica (DMA).
Os riscos associados a situações de fuga térmica, como superaquecimento e possível explosão, são especialmente importantes para o uso de baterias de íons de lítio (LIBs) em aplicações de veículos elétricos. A segurança da bateria é um componente-chave para o uso adicional da tecnologia da bateria em nossa vida cotidiana.
Este guia de aplicação fornece uma visão geral da tecnologia de baterias de íons de lítio e demonstra como várias técnicas de análise térmica podem ser empregadas para uma série de aplicações de P&D e CQ.
Os seguintes exemplos de aplicação são fornecidos:
- Estabilidade térmica do material catódico LiFePO4 em eletrólito
- Caracterização de uma mistura de eletrólitos
- Análise de separadores microporosos por TGA e TMA
- Controle de qualidade de PVDF por TGA e DSC
- Conversão de óxido de grafeno em grafeno (material anódico)
Aplicações comuns para técnicas de análise térmica para componentes de baterias
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Para obter mais informações sobre componentes de degradação de um único experimento, um METTLER TOLEDO TGA ou TGA/DSC pode ser hifenizado para um sistema de análise de gases adequado. O novo sistema agora pode realizar análise de gás evoluído (EGA). Uma TGA pode ser conectada a uma espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia de massas, cromatografia gasosa-espectroscopia de massas ou microcromatografia gasosa-espectroscopia de massas (respectivamente espectroscopia FTIR, MS, GC/MS; Micro GC(/MS).
Princípio básico de funcionamento de uma bateria Li-ion
As LIBs consistem em um eletrodo positivo (cátodo), eletrodo negativo (ânodo) e solução eletrolítica. Quando a célula está carregando, o cátodo (geralmente óxido de cobalto de lítio) é oxidado, e o ânodo (geralmente grafite) é reduzido. Quando a célula está descarregando, ocorre o inverso. Os íons Li+ não participam da reação eletroquímica global e permanecem em seu estado oxidado. Eles viajam entre o ânodo e o cátodo por difusão através de um eletrólito líquido composto por solventes orgânicos, sais de lítio e vários aditivos. O separador garante que o ânodo e o cátodo sejam mantidos isolados eletricamente, mas é poroso o suficiente para permitir que o eletrólito e os íons Li+ passem facilmente por ele.
Eletrodos (Ânodos e Catodos
O desempenho e a segurança dos eletrodos são amplamente influenciados pelo envelhecimento induzido por carga/descarga e degradação do material ativo catódico. Fornecendo medições precisas para capacidade térmica, temperaturas de decomposição e determinação de entalpia, as técnicas de análise térmica são auxiliares fundamentais nos estudos de estabilidade térmica.
Separador de bateria
Os separadores para baterias de iões de lítio têm um impacto crucial no desempenho e na vida útil da bateria, bem como na fiabilidade e segurança. Eles devem ser finos para permitir que os íons Li+ se movam rapidamente entre o ânodo e o cátodo, mas a integridade estrutural do separador é importante porque sua degradação pode levar a um curto-circuito interno.
A análise térmica é usada para caracterizar as propriedades térmicas de separadores, tipicamente feitos de poliolefinas (por exemplo, PP ou PE). As limitações tecnológicas dessas membranas incluem resistência à penetração, encolhimento e fusão. Essas propriedades podem ser investigadas por meio de termogravimetria (TGA), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e análise termomecânica (TMA).
Eletrólitos
A calorimetria exploratória diferencial (DSC) pode ser usada em CQ para estudar a composição e o conteúdo de carbonatos em soluções eletrolíticas, que têm implicações importantes para a estabilidade de ciclagem, densidade de energia e segurança de baterias de íons de lítio. A DSC também fornece informações sobre fusão e cristalização de eletrólitos para determinar as temperaturas mínimas para processos de carga/descarga.
