تحليل فشل بطاريات عن طريق استنادا السنكروترون-مجهري الصلب X-راي

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصور الجزء الداخلي لبطارية نموذجية تتكون من قطبين كهربائيين من ليثيوم معدني يفصل بينهما غشاء إلكتروليتي بوليمري. يتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق صب غشاء إلكتروليتي بوليمري باستخدام المذيبات. وتتمثل الخطوة الثانية في تجميع العينات عن طريق وضع قطعة من الإلكتروليت البوليمري بين قطبين كهربائيين من ليثيوم معدني، ثم إغلاقها بالتفريغ الهوائي في كيس محكم الإغلاق.

بعد ذلك، يتم إخضاع العينات لدورات شحن وتفريغ غلفانوستاتيكية حتى تفشل بسبب حدوث ماس كهربائي أو للمدة المطلوبة. وتتمثل الخطوة النهائية في تقليل حجم العينة، وإزالة ألسنة النيكل، ثم التصوير باستخدام التصوير المقطعي الميكروي بالأشعة السينية الصلبة. وفي النهاية، يُستخدم التصوير المقطعي الميكروي بالأشعة السينية لإظهار التغيرات المورفولوجية مثل نمو التشعبات في أقطاب ليثيوم المعدنية والإلكتروليت البوليمري كدالة في عدد الدورات.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية مثل المجهر الإلكتروني في أن الصور الناتجة تظهر الجزء الداخلي من طبقات القطب الكهربائي والإلكتروليت، مما يكشف عن بنيات تكون مخفية عند استخدام تقنيات التصوير التقليدية. قبل البدء في هذا الإجراء، قم بتخليق البولي ستيرين، أو البولي إيثيلين أكسيد الكتلوي، أو البوليمر المشترك، أو SEO باستخدام البلمرة الأيونية كما هو موضح في البروتوكول النصي. قم بإجراء جميع عمليات تحضير العينات داخل صندوق قفازات Argonne حيث يتم التحكم في مستويات الماء والأكسجين بحيث تظل أقل من خمسة أجزاء في المليون. أذب 0.3 grams من البوليمر في anhydrous و methyl two pyro أو NMP مع ملح dry lithium brif fluoro، methane sulfonamide، أو L-I-T-F-S-I.

استخدم نسبة كتلة ملح L-I-T-F-S-I إلى SEO تبلغ 0.275 ونسبة كتلة NMP إلى SEO تبلغ 13.13. ستنتج هذه الكمية من البوليمر غشاءً كبيراً بما يكفي لتحضير 20 عينة تقريباً. سخن المحلول إلى 90 درجة Celsius على لوح تسخين واتركه تحت التقليب حتى يذوب البوليمر.

قم بصب كامل خليط البوليمر والملح على قطعة مربعة من رقائق النيكل تبلغ أبعادها حوالي 15 في 15 سنتيمتر. استخدم شفرة مسطرة (doctor blade) بشكل مرن. قم بتغطية الغشاء برقائق الألومنيوم واتركه ليجف على لوح الصب عند درجة حرارة 60 درجة Celsius طوال الليل.

بعد التجفيف، قم بتقشير الغشاء عن رقاقة النيكل واتركه ليجف أكثر تحت الفراغ عند 90 degrees Celsius. لف الغشاء المستقل الناتج في رقاقة نيكل واحفظه داخل صندوق محكم الغلق في الصندوق القفازي لاستخدامه لاحقاً. استخدم خرامة معدنية مستديرة بقطر seven 16th inch لقص قطبين من معدن الليثيوم من لفة رقاقة معدن ليثيوم بدرجة نقاء 99.9% مخصصة للبطاريات.

بعد ذلك، استخدم خرامة معدنية بقطر نصف بوصة لقص قطعة من غشاء الإلكتروليت البوليمري، ثم ضع غشاء الإلكتروليت البوليمري بين قطبين من معدن الليثيوم، واضغط ألسنة النيكل على الأقطاب. قم بتفريغ الهواء وإغلاق العينة بإحكام في كيس مانع للتسرب مصنوع من البولي بروبيلين والألومنيوم المبطن بالنايلون. يمكن استبدال أحد أقطاب الليثيوم بسهولة بمهبط (كاثود).

إذا رغب الباحث في دراسة بطارية كاملة لإجراء دورات شحن وتفريغ لخلية متماثلة، فيوضع العينة المختومة مفرغة الهواء في فرن مضبوط عند 90 درجة Celsius، وتجرى الدورات باستخدام معدات التدوير الكهروكيميائية. يتم تسخين العينة أثناء التدوير لتحقيق موصلية أيونية مناسبة عبر غشاء الإلكتروليت، ومن أجل السلامة، يجب التأكد من عدم وصول العينة إلى درجة انصهار معدن الليثيوم البالغة 180 درجة Celsius.

مرر كثافة تيار تبلغ 0.175 milliamps per square centimeter عبر العينة لمدة أربع ساعات، يتبعها فترة راحة لمدة 45 دقيقة. بعد ذلك، مرر كثافة تيار تبلغ -0.175 milliamps per square centimeter عبر العينة لمدة أربع ساعات، يتبعها فترة راحة لمدة 45 دقيقة. كرر روتين الدورات هذا حسب العدد المطلوب.

بعد إتمام دورات الخلية المتماثلة، أعدها إلى الصندوق القفازي وأخرجها من غلافها. استخدم خرامة معدنية بقطر 1/8 بوصة لقص الجزء المركزي من غلاف الخلية المفرغ من الهواء. قم بتغليف الجزء المركزي من الخلية بمادة الغلاف وأخرجه من الصندوق القفازي لنقله إلى مرفق السنكروترون.

بمجرد الوصول إلى خط الشعاع، استخدم شريط البولي أميد لتثبيت العينة على منصة العينات. ضع العلامة المعدنية تقريبًا في مركز العينة لتحديد الموقع الذي ستدور حوله العينة. وبمجرد المحاذاة، قم بتركيب العينة على المنصة الدوارة داخل مقصورة خط الشعاع.

للتصوير، استخدم الأشعة السينية بقدرة 20 kilo electron volt لتصوير العينة مع ضبط وقت التعريض ليكون مثاليًا للنظام المستخدم. قم بتحسين وقت التعريض من خلال الموازنة بين وقت المسح وعدد العدات لكل صورة. قدر إجمالي وقت المسح عن طريق ضرب وقت التعريض في عدد الصور التي تم جمعها هنا.

استخدم زمن تعريض قدره 300 milliseconds، مما يؤدي إلى زمن مسح يتراوح بين خمس إلى 10 دقائق. قم بقياس حجم البكسل المرتبط بالعدسات البصرية عند بداية كل موضع إزاحة لزمن الحزمة، وقم بمحاذاة العينة على منصة تدوير بالنسبة لنظام الكشف بحيث تظل ضمن مجال رؤية الكاشف أثناء دورانها عبر 180 درجة. ضع العينة في أقرب نقطة ممكنة من الكاشف مع ضمان عدم اصطدام العينة بالكاشف عند أي زاوية دوران.

بعد إتمام عملية المحاذاة، يتم إجراء مسح يتكون من 1025 صورة تم جمعها عبر تدوير العينة بين صفر و180 درجة. يتم جمع سلسلة من صور المجال المضيء والمجال المظلم تلقائياً أثناء عملية المسح. يتم جمع صور المجال المضيء عن طريق تحريك العينة خارج مجال الرؤية.

بالإضافة إلى ذلك، يتم جمع صور المجال المظلم عن طريق التقاط الصور أثناء إيقاف تشغيل الشعاع. تُستخدم هذه الصور لتقييس صور العينات من أجل تعويض عدم تجانس الإضاءة واستجابة كاميرا CCD. تظهر هنا نتائج نموذجية للدورات الغلفانوستاتيكية لخلية متماثلة من إلكتروليتات البوليمر المعدنية الليثيوم، وذلك عند تطبيق تيار أيوني قدره 0.175 milliamps per square centimeter. ويتطلب الأمر جهداً يبلغ حوالي 0.07 volts بعد إجراء الدورات.

يتم تصوير العينة باستخدام التصوير المقطعي المحوسب الدقيق بالأشعة السينية الصلبة. يوضح المخطط المعروض هنا كيفية وضع العينة بالنسبة للحزمة الساقطة. يتم جمع صور الحزمة باستمرار أثناء تدوير العينة بزاوية 180 درجة.

تُعد صورة الأشعة السينية المعروضة هنا مثالاً لواحدة من آلاف الصور التي تم التقاطها للعينة أثناء تدويرها. وتتناسب درجة سطوع البكسلات في الصورة الإشعاعية طردياً مع كمية الأشعة السينية النافذة عبر تلك المنطقة من العينة. أما الصورة المعروضة هنا فهي مقطع عرضي من مجموعة البيانات المعاد بناؤها للعينة التي تم عرضها سابقاً بعد عملية إعادة البناء.

تظهر الميزات الدقيقة مثل شجيرة الليثيوم المعدنية الموضحة على الجانب الأيسر من الصورة. تم إنشاء تمثيل ثلاثي الأبعاد لشجيرة الليثيوم هذه من مجموعة من صور الأشعة السينية المعاد بناؤها. تم جعل القطبين العلوي والسفلي شفافين للسماح برؤية مورفولوجيا شجيرة الليثيوم الموضحة باللون البرتقالي وهي تخترق الإلكتروليت البوليمري الموضح باللون الأزرق الفاتح بعد نموها.

مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال الهندسة الكهروكيميائية لاستكشاف أسباب فشل البطاريات.