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Gas evolution from Lithium ion batteries studied in-situ by coupled GC/MS-FTIR

Alfred Amon

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Betreuer*in

Egon Erwin Rosenberg

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DOI

10.25365/thesis.34020

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29301.30901.460169-3

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die steigende Nachfrage nach Mobilität und Verfügbarkeit von elektrischer Energie ist Motivation für die Entwicklung von neuen Batterien mit höherer Leistung und Kapazität. Lithium Ionen Batterien (LIB) sind die derzeit erfolgreichste Technologie um diesen Bedarf im täglichen Leben zu decken. Mit der Entwicklung leistungsfähiger Batterien steigen auch die Sicherheitsanforderungen, da in ihnen eine hohe Energiemenge gespeichert ist und bereits mehrere Unfälle bekannt wurden, bei denen die unkontrollierte Freisetzung dieser Energie zur Entzündung und Explosion von Batterien geführt hat. Die hohe Entzündlichkeit der organischen Elektrolyte in handelsüblichen LIB und die Freisetzung von brennbaren oder giftigen Gasen während des Batterieversagens haben viele Wissenschaftler motiviert die Zersetzungsprozesse in LIB zu untersuchen. Bisher fand dies hauptsächlich durch die Analyse der Elektrolyt-Zersetzungsprodukte nach einer kontrollierten Überlastung der Batterie statt. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode zur zeitaufgelösten Charakterisierung der gasförmigen Emissionen aus LIB während des Schadensfalls entwickelt. Dies wurde durch die Kombination der analytischen Fähigkeiten von Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS) und Fourier-Transform Infrarotspektroskopie (FTIR) ermöglicht. Ein Messplatz wurde aufgebaut, an dem die freigesetzten Gase durch simultane Messung via GC/MS und FTIR kontinuierlich erfasst werden können. GC/MS ermöglicht die Identifizierung und Quantifizierung der Analyte während FTIR rasche Konzentrationsänderungen mit hoher Zeitauflösung detektiert. Mittels einer partial-least-squares Regression wurden die GC/MS Daten mit dem FTIR-Signal korreliert. Diese Methode wurde erfolgreich zur Charakterisierung der Gasentwicklung in Knopfzellen und kommerziellen High-Power-Batterien eingesetzt. Die flüchtigen Zersetzungsprodukte einer kommerziellen Zelle während eines kontrollierten Überlade-Programms wurden identifiziert und ihre Entwicklung relativ zur Ladespannung beobachtet. Weiters wurden die entwickelten Gase aus mehreren Elektrolytmischungen während eines Cyclovoltammetrie-Experiments identifiziert und die Stabilität der Elektrolyt-Bestandteile charakterisiert. Der Einfluss des Elektrodenmaterials auf das Produktspektrum und das Zersetzungsverhalten wurde an einer inerten Arbeitselektrode und einer realen Batteriekathode untersucht. Ein besonderes Augenmerk galt der Entwicklung und Beurteilung der neuen Methode.

Abstract

(Englisch)

The increasing demand for mobility and remotely available electric energy promotes the development of batteries with higher power and capacity. Lithium ion batteries (LIB) are currently the most successful technology to satisfy this demand in our daily life. At the same time the safety of LIBs has to be addressed as a high amount of energy is stored in these devices and several cases of battery failure are known, in which the uncontrolled release of this energy lead to an ignition or explosion of the cell. The flammability of the organic electrolytes which are in use in conventional LIBs and the release of flammable or toxic gases during battery failure have motivated many researchers to examine the decomposition processes in batteries. Up to now this has mainly been done by characterisation of the electrolyte degradation products after a controlled abuse of the cell. In this work a new method was developed to characterise the gaseous emissions from LIBs with high time resolution during the process of battery failure. This was achieved by combining the analytical abilities of gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). A measuring station was constructed which allows the continuous monitoring of evolved gases via simultaneous analysis by GC/MS and FTIR. GC/MS allows the identification and quantification of analytes while FTIR monitors fast concentration changes with high time resolution. A partial least squares regression model was used to correlate the GC/MS data with the FTIR signal. This method was successfully applied to characterise the gas evolution from coin cells and commercial high power cells. The volatile decomposition products from a commercial cell during controlled overcharge where identified and their release was monitored relative to the charging voltage. Furthermore the gaseous compounds generated from different electrolyte compositions during a cyclic voltammetry experiment where identified and the stability of different electrolytes characterised. The influence of electrode materials was investigated by comparing the product spectrum and decomposition behaviour on an inert working electrode and a realistic battery cathode. Special attention was paid to the development process and the evaluation of the new method.

Autor*innen

Alfred Amon

Haupttitel (Englisch)

Gas evolution from Lithium ion batteries studied in-situ by coupled GC/MS-FTIR

Paralleltitel (Deutsch)

In-situ Untersuchung der Gasentwicklung in Lithium Ionen Batterien mittels gekoppelter GC/MS-FTIR

Publikationsjahr

2014

Umfangsangabe

XI, 75 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Egon Erwin Rosenberg

Klassifikationen

35 Chemie > 35.14 Elektrochemie ,

35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines

AC Nummer

AC12146360

Utheses ID

30202

Studienkennzahl

UA | 066 | 658 | |

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Schlagwörter