Avoid Thermal Runaway by Monitoring Battery Swell Gas and Electrolyte Degradation

Význam tématu

Analýza plynů a elektrolytu v lithium-iontových bateriích je klíčová pro prevenci termální runaway, zajištění dlouhé životnosti a bezpečného provozu. Monitorování plynných produktů rozkladu, jako jsou CO, CO2, vodík a fluorované sloučeniny, umožňuje včasnou detekci degradace elektrolytu a rizikových stavů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem článku bylo představit bezventilovou konfiguraci plynové chromatografie pro komplexní testování baterií na jediném přístroji. Metoda zahrnuje tři analytické přístupy: analýzu bobtnacího plynu, kvantifikaci vodíku a stanovení organických složek elektrolytu.

Použitá metodika a instrumentace

• Přístrojová sestava: Agilent 8890 GC s dual-detektory 5977B GC/MSD (EI) a termokonduktivním detektorem (TCD)
• Automatizace vzorkování: CTC PAL3 Series 2 pro heated headspace
• Kolony: Agilent J&W GS-GasPro (60 m × 0,32 mm), DB-1701 (30 m × 0,25 mm), CP-Molsieve 5Å (10 m × 0,32 mm)
• Injekční módy: gas-tight syringe pro plyny, heated headspace a split 10:1 pro elektrolyt
• Software: Agilent MassHunter Workstation pro dekonvoluční analýzu a knihovny NIST pro potvrzení identit

Hlavní výsledky a diskuse

• Bobtnací plyn: spolehlivá separace a kvantifikace CO, CO2, C1–C6 a detekce neznámých fluorovaných uhlovodíků za pomoci dekonvoluce
• Identifikace vedlejších produktů rozkladu elektrolytu, např. sulfuryfluorid a fosfortrifluorid
• Hydrogen: TCD umožňuje kvantifikovat H2 od 0,06 do 5 % obj. na CP-Molsieve 5Å kolóně
• Elektrolyt: headspace sampling minimalizuje degradaci kolony a zajišťuje vynikající reprodukovatelnost; přímá injekce navíc odhalila nevolatilní aditiva

Přínosy a praktické využití metody

• Snížení provozních nákladů i doby analýzy díky kombinaci GC/MSD a TCD na jedné platformě
• Bezventilová konfigurace minimalizuje riziko netěsností a zkracuje dobu přípravy
• Headspace sampling prodlužuje životnost kolony a inzertního systému při rutinním monitorování
• Software pro dekonvoluční analýzu zrychluje detekci a identifikaci neznámých složek

Budoucí trendy a možnosti využití

• Online a in situ monitorování plynné fáze v bateriových systémech
• Automatizace vyhodnocení a integrace AI pro rychlejší identifikaci a kvantifikaci
• Propojování s elektrochemickými daty pro komplexnější diagnostiku stavu baterií
• Vývoj nových aditiv a elektrolytů s lepší tepelnou a chemickou stabilitou

Závěr

Bezventilová GC konfigurace s dual-detektory Agilent 8890/5977B GC/MSD a TCD nabízí robustní, reprodukovatelnou a citlivou metodu pro komplexní testování lithium-iontových baterií. Metoda umožňuje současnou analýzu bobtnacího plynu, vodíku i složení elektrolytu na jednom přístroji s minimální údržbou.

Reference

1. Grützke M Monnighoff X Horsthemke F Kraft V Winter M Nowak S Extraction of lithium ion battery electrolytes with liquid and supercritical carbon dioxide and additional solvents RSC Adv 2015 5 43209 43217
2. Vorwerk P Hahn S Daniel C Krause U Keutel K Detection of critical conditions in pouch cells based on their expansion behavior Batteries 2022 8 42
3. Zhang J The analysis of swelling gas in lithium ion batteries with an Agilent 990 micro GC Agilent Technologies application note publication number 5994 2321EN 2020
4. Leissing M Winter M Wiemers Meyer S Nowak S A method for quantitative analysis of gases evolving during formation applied on LiNi0 6Mn0 2Co0 2O2 natural graphite lithium ion battery cells using gas chromatography barrier discharge ionization detector J Chromatogr A 2020 1622 461122