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, tels 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 future 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 pour une multitude d'applications de R&D et de contrôle de qualité.
Plusieurs exemples d’applications sont présentés :
- Stabilité thermique du matériau de cathode LiFePO4 dans l'électrolyte
- Caractérisation d'un mélange d'électrolytes
- Analyse de séparateurs microporeux par TGA et TMA
- Contrôle de la qualité du PVDF par TGA et DSC
- Conversion de l'oxyde de graphène en graphène (matériau d'anode)
Applications courantes des techniques d'analyse thermique des composants de batteries
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Pour obtenir plus d'informations sur les composants de dégradation à partir d'une seule expérience, un système METTLER TOLEDO TGA ou TGA/DSC peut être couplé à un système d'analyse de gaz approprié. Le nouveau système peut alors effectuer une analyse des gaz émis (EGA). Une TGA peut être connectée à une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, à une spectroscopie de masse, à une chromatographie gazeuse-spectroscopie de masse ou à une microchromatographie gazeuse-spectroscopie de masse (respectivement spectroscopie FTIR, MS, GC/MS ; Micro GC(/MS)).
Principe de fonctionnement d'une batterie Li-ion
Les LIB sont constituées d'une électrode positive (cathode), d'une électrode négative (anode) et d'une solution électrolytique. Lorsque la cellule est en charge, la cathode (généralement de l'oxyde de lithium et de cobalt) est oxydée et l'anode (généralement du graphite) est réduite. Lorsque la cellule se décharge, c'est l'inverse qui se produit. Les ions Li+ ne participent pas à la réaction électrochimique globale et restent à l'état oxydé. Ils se déplacent 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 des électrodes sont largement influencées par le vieillissement et la dégradation du matériau actif de la cathode induits par la charge/décharge. Fournissant des mesures précises de la capacité thermique, des températures de décomposition et de 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, ainsi que sur leur fiabilité et leur sécurité. Ils doivent être fins pour permettre aux ions Li+ de se déplacer rapidement entre l'anode et la cathode, mais l'intégrité structurelle du séparateur est importante car sa dégradation pourrait entraîner un court-circuit interne.
L'analyse thermique est utilisée pour caractériser les propriétés thermiques des 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 au moyen de la thermogravimétrie (TGA), de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et de l'analyse thermomécanique (TMA).
Électrolytes
La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) peut être utilisée dans le cadre du contrôle de qualité pour étudier la composition et la teneur en carbonates des solutions électrolytiques, qui ont des implications importantes pour la stabilité du cycle, la densité énergétique et la sécurité des batteries lithium-ion. La DSC fournit également des informations sur la fusion et la cristallisation de l'électrolyte afin de déterminer les températures minimales pour les processus de charge/décharge.
