Determination of the MacMullin number

Význam tématu

Separator je tenká porézní membrána zajišťující elektrickou izolaci elektrod v lithium-iontových článcích a zároveň průchod iontů. Jeho efektivní iontová vodivost zásadně ovlivňuje výkon, životnost a bezpečnost baterií. MacMullinovo číslo popisuje pokles vodivosti elektrolytu v přítomnosti separátoru a poskytuje klíčovou informaci pro výběr a vývoj nových separátorových materiálů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikace bylo stanovit MacMullinovo číslo separátorových fólií využitím tzv. stacking metody. Ta spočívá v sériovém zvyšování počtu separátorů ve vzorku a měření elektrochemické impedance různých tlouštěk stacích.

Použitá metodika a instrumentace

Pro stanovení MacMullinova čísla byly připraveny kruhové vzorky separátoru (ø12 mm, tloušťka 21,5 µm) nasycené elektrolytem 1 mol/l LiPF₆ v poměru EC/DMC (1:1). Měření probíhalo v uzavřené buňce TSC Battery Standard při konstantní teplotě 20,0 °C (Microcell HC). Impedanční spektroskopie (1 MHz–100 Hz, 10 mV) se realizovala pomocí Autolab PGSTAT204 s modulem FRA32M a softwarem NOVA.

• Buňka: TSC Battery Standard (PEEK, tlak 100 kPa, SS elektrody ø8 mm)
• Teplotní řízení: Peltier + Pt100 (přesnost 0,1 °C)
• Potenciostat/galvanostat: Autolab PGSTAT204 + FRA32M
• Software: NOVA

Hlavní výsledky a diskuse

Impedanční spektra vykázala lineární nárůst odporu Rion se zvyšujícím se počtem separátorů. Ze sklonu závislosti ΔRion/ΔN = 2,49 Ω na fólii byla spočtena σseparator = 1,7 mS/cm. Čistá elektrolytová vodivost byla σelectrolyte = 9,9 mS/cm. Výsledné MacMullinovo číslo NM = σelectrolyte/σseparator = 5,8 spadá do typického rozsahu 4–20. Diskuse se zaměřila na možný vliv složení elektrolytu na hodnotu NM podle literatury.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé a spolehlivé stanovení efektivní vodivosti separátorů
• Porovnání a optimalizace materiálů v průmyslové i výzkumné sféře
• Podpora vývoje a kontroly kvality bateriových komponent

Budoucí trendy a možnosti využití

Metodu lze rozšířit o testování různých elektrolytických složení, nových polymerních či keramických separátorů a in situ měření během cyklování článků. Kombinace s pokročilým numerickým modelováním umožní hlubší pochopení iontového transportu v porézních strukturách.

Závěr

Stacking metoda s elektrochemickou impedanční spektroskopií se ukázala jako robustní a praktický nástroj pro určení MacMullinova čísla separátorových fólií, čímž přispívá k lepšímu vývoji a optimalizaci vodivostních vlastností v lithium-iontových bateriích.

Reference

• Arora P., Zhang Z., Chem. Rev. 2004, 104, 4419–4462.
• Martínez M. J. et al., J. Electrochem. Soc. 2009, 156(1), B80–B85.
• Landesfeind J. et al., J. Electrochem. Soc. 2016, 163(7), A1373–A1387.
• Raccichini R. et al., J. Electrochem. Soc. 2018, 165(11), A2741–A2749.