Thermal stability of NMC442 cathode material studied by accelerating rate calorimetry

Litium-ion batterier har utviklet seg til å bli en av de mest populære batteriteknologiene i dagens marked. Dette kommer hovedsakelig av høy energitetthet, lang levetid og høy spenning. Men det har blitt rapportert flere branner knyttet til litium-ion batterier, noe som viser at sikkerhetsegenskapene til denne teknologien kan være en utfordring. Ved vurdering av sikkerheten til litium-ion batterier er termisk stabilitet en av flere viktige egenskaper som bør evalueres. Forståelse av termisk stabilitet på materialnivå er essensielt for videre forbedring av sikkerhetsegenskapene til litium-ion batterier.

Den termiske stabiliteten til katodematerialet LiNi0.40Mn0.37Co0.23O2 fra en Kokam 8 Ah litium-ion posecelle med 1 M LiPF6 in EC/DMC (1:1) ble undersøkt med ARC (accelerating rate calorimetry). Metoder for måling av termisk stabilitet er ikke standardiserte, og det er usikkert hvordan endringer i ARC-testoppsatsen vil kunne påvirke resultatene. Fire ulike testoppsatser ble derfor testet: én med prøven festet i lokket av kalorimeteret, to hvor det ble koblet på et trykksystem (stort og lite volum) og én hvor prøven ble satt i en trone som var termisk isolert fra kalorimeteret. For alle oppsatsene ble det observert to selvoppvarmingsfaser. Det ble observert at selvoppvarmingsraten gjennom den første fasen påvirket ved hvilken temperatur ukontrollert temperaturutvikling (oppvarmingsrate > 10°C min-1 ) startet i den andre fasen. En nedgang i oppvarmingsrate ble observert mellom de to fasene, og det ble foreslått at endoterme prosesser var årsaken til nedgangen. I den første fasen hadde oppsatsen ingen signifikant påvirkning på testresultatet, men selvoppvarmingshastigheten ble påvirket av variasjon i prøveprepareringen. Ved temperaturer over 240°C kunne man se at reaktiviteten var avhengig av trykket, som igjen påvirkes av oppsatsen. Ved lavt trykk ble ikke ukontrollert temperaturutvikling oppnådd, mens det for testene med høyere trykk oppsto en ukontrollert temperaturutvikling ved 250–260°C. Resultatene viser at termisk stabilitet til det testede katodematerialet er trykkavhengig og at oppsatsen kan påvirke resultatene. For en hel litium-ion celle (Kokam 8 Ah) var starttemperaturen for selvoppvarming 92°C, og ukontrollert temperaturutvikling skjedde ved 210°C.