その場過充電ガスの過充電防止添加剤の定性および定量分析

リチウムイオン電池が過充電されると、正極材料から過剰なリチウムイオンが取り出され、電池の電圧と温度が急激に上昇し、大量の酸素と熱を放出します。電解液は一定の電位に達すると酸化分解し、激しい化学反応を起こし、多量の発熱を伴い危険です。過充電添加剤に対する電解液は、バッテリーの過充電挙動を早期に警告し、過充電添加剤に対する電気ポリマーの一種であるビフェニル (血圧 ) などの活物質の故障を防ぎ、バッテリー内で 4.5 V 以上に充電して、高分子膜の層により、大量のガスが発生し、バッテリーの抵抗が増加し、バッテリーの過充電を早期に警告する機能があります。

この論文では、現場ボリュームモニター (GVM ) を使用して、異なる 血圧 含有量の電解質システムの NCM523 / グラファイトセル (理論容量 1000mAh) をテストし、セルガス生成挙動を相対的に分析しました。 BP添加がガス生成組成に及ぼす影響をガスクロマトグラフィー(GC )により分析した。

図 1. 血圧 の各種電解質分解と電解重合反応によるガス生成挙動の模式図

実験装置と試験方法

1.実験装置：モデルGVM2200、テスト温度範囲20℃〜85℃、デュアルチャネル（2セル）同期テストをサポート、装置の外観は図2に示すとおりです。

図2。GVM2200 装置外観図

2. テストパラメータ: 25℃、1C CC ～ 5V。

3. 試験方法: 最初にセルの重量を測定します。₀、テストするセルを機器の対応するチャンネルに置き、MISGソフトウェアを開き、各チャンネルの対応するセル番号とサンプリング周波数パラメータを設定すると、ソフトウェアは自動的に体積変化、テスト温度、電流、電圧、容量やその他のデータ。ガス組成検査では、GC -2014C ガスクロマトグラフィー装置を使用し、グローブボックス内の過充電セルから 1 mL のガスを除去し、TCD 検出器と FID 検出器をそれぞれ使用してさまざまな種類のガス濃度を検査します。測定可能なガス種を図3に示します。

図 3. FID および TCD 検出器のティーブルガス組成

現場過充電ガスの分析

1. 充放電曲線と体積変化曲線の解析

セルの体積と電圧の変化を図 4 (a) と (b) に示します。電解液中の 血圧 含有量はそれぞれ 0%、1%、2%、3%、5% です。この曲線から、添加剤の含有量が増加するにつれてセルの体積変化がどんどん大きくなっていることがわかります。これは、添加剤のガス発生反応によってセルが膨張していることを示しています。添加剤の含有量が5%に達すると、セル電圧が上限の5Vに達しにくくなることが電圧曲線からわかります。このとき、NCM正極の添加剤はまず電気化学的重合反応を起こし、粒子表面にポリマー析出層を形成し、その後電解液中での添加剤の継続的な反応により析出層は徐々に成長します。&注意 ;

過充電が続くと、大量のポリマー堆積物が蓄積してダイヤフラムに浸透し、最終的に 2 つの電極間に直接接続が形成されます。ビフェニルの重合生成物 (ポリ (ビフェニル) など) は導電性があるため、2 つの電極内の重合沈殿物によって形成された導電性ブリッジがバッテリーの内部短絡を引き起こし、充電電流を消費し続けます。バッテリー電圧が制御不能になり、電圧が 5V に達することを防ぎます。電解ポリマーの成長によって引き起こされる内部短絡はゆっくりとしたプロセスであり、粒子表面の一部でのみ発生します。これにより適度な自己放電が発生し、バッテリーが自動的に安全な状態に放電されます。このプロセスは激しい熱暴走を引き起こしません。バッテリーの。

セルの全ガスとガス開始電位の分析では、血圧 がない場合、セルガスの開始点は過充電電圧である 5V にほぼ近く、カソード材料構造の破壊を引き起こす可能性が高く、血圧 後はセルガスの生成が発生します。 4.5〜4.6Vの電圧、これはBPの電圧範囲であり、BP濃度の増加に伴い、総セル生産量も約2mLから約10mLに増加し、防爆安全弁と組み合わせることで効果を達成できます。早期警戒のこと。

図 4. 血圧の異なる量の充放電と体積変化

2. 電池セルのガス発生組成の分析

ガスセルを過充電した後、1 mL のガスを定性分析すると、図 5 に示すように、ガスの 血圧 濃度の増加に伴い、メタン CH4 の濃度が徐々に減少し、水素 H2 の濃度が徐々に増加し、他の成分が増加することがわかりました。酸素O2、エチレンC2H4、一酸化炭素COなどには明らかな変化傾向はありません。

さらに、反応メカニズムの解析と組み合わせると、過充電添加剤に対する電気重合の一種としての 血圧 ビフェニル (血圧 ) は、4.5 V 以上のバッテリー充電において、電解液中のモノマー分子がラジカルイオンに酸化され、これらのラジカルイオンが電解液中でポリマーを合成することもあります。 、およびプラスのダイヤフラム表面近くに堆積すると、電極が絶縁され、バッテリーの抵抗が増加し、同時に大量の水素の放出が伴い、セルガスが発生し、バッテリーの過充電を早期に警告します。

図 5. 添加剤含有量の異なるセルガス中のメタンおよび水素濃度の変化

要約する

この論文は、温度制御可能なデュアルチャネル現場ガス生成量モニターを採用し、ガスクロマトグラフィーと組み合わせて、過充電添加剤のBPガス挙動の定性および定量分析を行い、BP電解質ガスポテンシャルのさまざまな含有量を提供するだけでなく、添加剤が過充電の過程で大量の水素を生成してセルガスを生成し、セルの過充電を早期に警告する機能を実現できることが証明されました。