Name: Fehleranalyse von Batterien unter Verwendung Synchrotron-basierte Feströntgenmikrotomographie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-26T16:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 11 s
Description: Erfahren Sie die Fehleranalyse von Lithiumbatterien mittels Synchrotron-basierter Feströntgenmikrotomographie. Diese Methode ermöglicht die Visualisierung von Dendritenwachstum in Elektroden während des Zyklisierens.

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Die Hauptfinanzierung für die Arbeit wurde durch das Electron Microscopy of Soft Matter Program des Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division des U.S. Department of Energy unter der Vertragsnummer bereitgestellt. DE-AC02-05CH11231. Der Batteriemontageteil des Projekts wurde durch das BATT-Programm des Programms "Vehicle Technologies" durch das Office of Energy Efficiency and Renewable Energy im Rahmen des US-DOE-Vertrags DE-AC02-05CH11231 unterstützt. Harte Röntgenmikrotomographie-Experimente wurden an der Advanced Light Source durchgeführt, die vom Direktor, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, des U.S. Department of Energy unter der Vertragsnummer unterstützt wird. DE-AC02-05CH11231. Katherine J. Harry wurde durch ein Graduate Research Fellowship der National Science Foundation unterstützt.

1. Elektrolyt Herstellung <ol><li> Synthetisieren eine 240 kg / mol - 260 kg / mol Poly (styrol) - blockieren - Poly (ethylenoxid) Copolymer (SEO) mit anionische Polymerisation. <ol><li> Führen Sie alle zusätzliche Probenvorbereitung in einer Argon-Handschuhfach, wo die Wasser- und Sauerstoffgehalt kontrolliert werden und zu bleiben &lt;5 ppm. </li><li> Aufzulösen 0,3 g Polymer in wasserfreiem N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) mit trockenem Lithiumbis (Trifluormethan) Sulfonimid (LiTFSI) Salz. Verwenden Sie einen LiTFSI Salz SEO Massenverhältnis von 0,275 und einer NMP-Masse-Verhältnis von 13,13 SEO. Hinweis: Diese Polymermenge wird eine Membran groß genug, um etwa 20 Proben machen ergeben. </li><li> Guss gesamte Polymer und Salz-Gemisch in den Schritten hergestellt oben auf eine ca. 15 cm x 15 cm großes quadratisches Stück aus Nickelfolie unter Verwendung einer Rakel. Trocknen des resultierenden Films bei 60 ° CO / N. </li><li> Nach dem Trocknen schälen die Folie von der Nickelfolie und erlauben weiter unter Vakuum bei 9 trocknen0 ° C. </li><li> Wickeln Sie die resultierende freistehenden Films in Nickelfolie und Speicherung innerhalb einer luftdichten Box im Handschuhfach für den späteren Gebrauch. </li></ol></li></ol> 2. Lithium - Lithium Symmetric Zellpräparation <ol><li> Verwenden Sie einen 7/16 im Durchmesser, runde Metall Punch, um von einer Rolle von 99,9% rein, Batterie-Grade-Lithiummetallfolie ausgeschnitten zwei Lithium-Metall-Elektroden. </li><li> Verwenden Sie einen 1/2 Zoll Durchmesser Metall Punch zu schneiden Sie ein Stück des Polymerelektrolyt-Film. Hinweis: Das Lithiummetall ist weicher und leichter zu stanzen als der Polymerelektrolyt. </li><li> Sandwich der Polymerelektrolytfilm zwischen den beiden Lithium-Metall-Elektroden und drücken Sie die Nickel-Registerkarten auf die Elektroden. </li><li> Vakuumdichtung der Probe in einem luftdichten Beutel aus Polypropylen und Nylon gefüttert Aluminium. Hinweis: Eine der Lithium-Elektroden ist leicht mit einer Kathode vertauscht, wenn man eine volle Batterie studieren will. </li></ol> 3. Symmetrische Handy Cyclin<html> g <ol><li> Legen Sie die vakuumdichte Probe in einem Ofen bei 90 ° C und Zyklus mit elektrochemischen Fahrradausrüstung statt. Erhitzen Sie die Probe während dem Fahrrad zur angemessenen Ionenleitfähigkeit durch die Elektrolytmembran zu erreichen. Zur Sicherheit, dass die Probe nicht die Lithiummetallschmelzpunkt von 180 ° C nähern. </li><li> Übergeben Sie eine Stromdichte von 0,175 mA / cm 2 durch die Probe 4 Stunden lang und folgen Sie mit einer 45 min Pause. Als nächstes passieren eine Stromdichte von -0,175 mA / cm 2 durch die Probe 4 Stunden lang und folgen Sie mit einer 45 min Pause. Wiederholen Sie diesen Radfahren Routine so oft wie gewünscht. </li><li> Beachten Sie die Spannungsantwort für diese Stromdichte durch eine 30 um dicke SEO Elektrolyten geleitet und vergleichen Sie mit dem in Abbildung 1 dargestellt. Stoppen Sie den Radsport-Routine, wenn die Zellenspannung als Reaktion sinkt auf 0,00 V, weil die Batterie durch Kurzschluss anzeigt, der ausgefallene Wachstum von Lithiumdendriten. </li></ol>itel &quot;&gt; 4. Synchrotron harter Röntgenmikrotomographie Imaging <ol><li> Nachdem der symmetrischen Zelle getaktet, bringen sie zurück in das Handschuhfach und entfernen Sie sie aus seinem Beutel. </li><li> Verwenden Sie einen 1/8 Zoll Metallstempel zum Ausschneiden der Mittelteil des cell.Vacuum dichten den Mittelabschnitt der Zelle in Beutelmaterial und aus dem Handschuhfach entfernen, für den Transport zum Synchrotron. Hinweis: In der Abbildung einer Probe mit einem reduzierten Durchmesser, wird die Menge an Material außerhalb des Sichtfeldes des Röntgendetektors verringert. Dies verbessert die Bildqualität insgesamt durch die Reduzierung von Lärm durch dieses Zusatzmaterial verursacht. Darüber hinaus ist die Entfernung der hoch röntgenstrahlenabsorbierenden Nickel Stromkollektoren notwendig, für diese Taschenkonstruktion, klare Röntgenbilder zu erhalten. </li><li> Einmal an der Strahllinie verwenden Polyimidband um die Probe auf dem Probentisch zu befestigen. Falls erwünscht, das Band um kleine Metallmarker auf der Oberseite der Probe mit Ausrichtung zu unterstützen. Legen Sie die Metall-Marker etwa in der Mitte des sample, um den Ort, um die die Probe einmal ausgerichtet drehen markieren. </li><li> Verwenden Sie 20 keV Röntgenstrahlen, die dem Bild der Probe mit einer Belichtungszeit für das System optimiert. Optimieren Sie die Belichtungszeit durch den Ausgleich des Scanzeit und die Anzahl der Zählungen pro Bild. Schätzung der Gesamtscanzeit durch Multiplizieren der Belichtungszeit durch die Anzahl der gesammelten Bilder. <ol><li> Hierbei kann die Verwendung einer Belichtungszeit von 300 msec, was eine Zykluszeit von 5 bis 10 min. </li></ol></li><li> Messen der Pixelgröße, wobei die optischen Linsen an der Beginn jeder Messzeit Verschiebung verbunden. Anmerkung: Für den 4x-Objektiv verwendet, um das in 2 gezeigte Bild zu nehmen, die Pixelgröße betrug 1,61 &amp; mgr; m / Pixel. Höheren Vergrößerungslinsen (10x und 20x) sind auch für die Nutzung zur Verfügung. </li><li> Position und Ausrichtung der Probe auf einem Drehtisch in Bezug auf das Detektionssystem, so daß sie in das Sichtfeld des Detektors bleibt, wie es durch 180 ° dreht. </li><li> Positionieren Sie die Probe so nahder Detektor wie möglich gleichzeitig sicherzustellen, dass die Probe nicht den Detektor treffen jederDrehWinkel. Hinweis: Da die Probe in zunehmendem Abstand Detektor wird der Fresnel-Phasenkontrast stärker ausgeprägt in den rekonstruierten Bildern geworden. Dies kann Features zu verschleiern und zu einer schlechteren Auflösung. Beutel für Zellen ist die Probe zum Detektor-Abstand typischerweise in der Größenordnung von 3 cm von dem Detektor weg. </li><li> Sobald sie ausgerichtet, einen Scanvorgang, bestehend aus 1.025 Bildern über Muster Drehungen zwischen 0 und 180 ° gesammelt. &quot;Hellfeld&quot; Sammeln Sie Bilder durch Bewegen der Probe aus dem Sichtfeld (auch als &quot;Flachfeld&quot; oder &quot;Hintergrund&quot; bekannt). Zusätzlich sammeln &quot;Dunkelfeld&quot; Bilder, indem sie Bilder, während der Strahl ausgeschaltet ist. Verwenden Sie diese, um die Beispielbilder für inhomogene Beleuchtung, Szintillator Antwort und CCD-Kamera als Reaktion zu normalisieren. </li></ol> 5. Bildrekonstruktion <ol><li> Tomographischrekonstruieren den Satz von 1025 Röntgenaufnahmen in einen Stapel von Bildern, wobei jedes Bild stellt eine Scheibe in dem Volumen nach dem folgenden Verfahren. <ol><li> Erstens, normalisieren die Bilder durch Subtraktion der &quot;Dunkelfeld&quot; Bilder von den beiden Röntgenbildern und den &quot;Hellfeld&quot; Bilder. Teilen Sie die resultierende Röntgenbilder geteilt durch den resultierenden &quot;Hellfeld&quot; Bilder. </li><li> Als nächstes führen tomographischen Rekonstruktion, das Verfahren, durch das die Reihe von Projektionswinkeln in ein 3D-Bild umgewandelt, von dem normierten Röntgenbildern nach dem Protokoll des Herstellers. Hinweis: Der Rekonstruktionssoftware gibt eine Reihe von Bildern, die jeweils einen horizontalen Schnitt durch die gestapelten sample.When dieser Satz von rekonstruierten Bilder bilden eine dreidimensionale Röntgenabsorptions Karte der Probe. </li></ol></li><li> Visualisierung der einzelnen Scheiben bzw. der Probe in drei Dimensionen zu sehen, was die Probe aussieht auf der Innenseite.</li></ol> 6. Daten-Visualisierung und Verarbeitung <ol><li> Verwenden Sie eine aus einer Vielzahl von kommerziellen und Open-Source-Bildbearbeitungs-Software-Pakete für Datenvisualisierung und Analyse zur Verfügung. 22, 23 </li><li> Beim Öffnen der Stapel von rekonstruierten Bildern mit der gewünschten Software zu erstellen orthoslices, um die XY, XZ und YZ Perspektiven der rekonstruierten Daten zeigen. </li><li> Die Kamera schwenkt durch diese Bilder und die Suche nach Eigenschaften von Interesse, wie die in 2 gezeigte Lithiumdendrit. </li><li> Als Nächstes verwenden Segmentierung (digital Kennzeichnung) und 3D-Rendering-Werkzeuge, um das Merkmal von Interesse in drei Dimensionen zu machen. </li><li> Digital-Segment das Bild, erstellen Sie ein Beschriftungsfeld und benutzen Schwellen Tools, um Bereiche der Probe, die einem Material zu wählen. </li><li> Um ein Bild wie das in 2B gezeigt neu zu erstellen, beschriften Sie die dunklen Pixel Lithium und den hellen Pixeln Elektrolyten. Beschriften Sie die in das enthaltene Lithium-Dendriten getrennt von den oberen und unteren Lithiumelektroden. <ol><li> Rendern Sie die dendritischen Lithium in Orange und die Polymer-Elektrolyt in blau. Rendern der oberen und unteren Lithiummetallelektroden in grau und stellen Sie den Transparenzwert um den orangefarbenen dendritischen Lithium offenbaren. Drehen dieses dreidimensionalen Rekonstruktion, die Struktur aus vielen Perspektiven zu betrachten. </li></ol></li></ol>

<ol><li>Bruce, P. G., Freunberger, S. A., Hardwick, L. J., Tarascon, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Li-O-2+and+Li-S+batteries+with+high+energy+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">Li-O-2 and Li-S batteries with high energy storage.</a> Nat Mater. 11, 19-29 (2012).</li>
<li>Balsara, N. P., Newman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparing+the+Energy+Content+of+Batteries%2C+Fuels%2C+and+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22J+Chem+Educ%22%5BJournal%5D)">Comparing the Energy Content of Batteries, Fuels, and Materials.</a> J Chem Educ. 90, 446-452 (2013).</li>
<li>Girishkumar, G., McCloskey, B., Luntz, A. C., Swanson, S., Wilcke, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lithium+-+Air+Battery%3A+Promise+and+Challenges%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+Lett%22%5BJournal%5D)">Lithium - Air Battery: Promise and Challenges.</a> J Phys Chem Lett. 1, 2193-2203 (2010).</li>
<li>Selim, R., Bro, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Some+observations+on+rechargeable+lithium+electrodes+in+a+propylene+carbonate+electrolyte%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">Some observations on rechargeable lithium electrodes in a propylene carbonate electrolyte.</a> J Electrochem Soc. 121, 1457-1459 (1974).</li>
<li>Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., Teller, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+short+review+of+failure+mechanisms+of+lithium+metal+and+lithiated+graphite+anodes+in+liquid+electrolyte+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Ionics%22%5BJournal%5D)">A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions.</a> Solid State Ionics. 148, 405-416 (2002).</li>
<li>Monroe, C., Newman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dendrite+Growth+in+Lithium%2FPolymer+Systems%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems.</a> J Electrochem Soc. 150, A1377(2003).</li>
<li>Barton, J. L., Bockris, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Electrolytic+Growth+of+Dendrites+from+Ionic+Solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+R+Soc+Ser+A%22%5BJournal%5D)">The Electrolytic Growth of Dendrites from Ionic Solutions.</a> Proc R Soc Ser A. 268, 485-505 (1962).</li>
<li>Bhattacharyya, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+NMR+observation+of+the+formation+of+metallic+lithium+microstructures+in+lithium+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">In situ NMR observation of the formation of metallic lithium microstructures in lithium batteries.</a> Nat Mater. 9, 504-510 (2010).</li>
<li>Chandrashekar, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((7Li+MRI+of+Li+batteries+reveals+location+of+microstructural+lithium%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">7Li MRI of Li batteries reveals location of microstructural lithium.</a> Nat Mater. 11, 311-315 (2012).</li>
<li>Arora, P., White, R. E., Doyle, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Capacity+fade+mechanisms+and+side+reactions+in+lithium-ion+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">Capacity fade mechanisms and side reactions in lithium-ion batteries.</a> J Electrochem Soc. 145, 3647-3667 (1998).</li>
<li>Ebner, M., Marone, F., Stampanoni, M., Wood, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+and+Quantification+of+Electrochemical+and+Mechanical+Degradation+in+Li+Ion+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Visualization and Quantification of Electrochemical and Mechanical Degradation in Li Ion Batteries.</a> Science. 342, 716-720 (2013).</li>
<li>Qi, Y., Harris, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Situ+Observation+of+Strains+during+Lithiation+of+a+Graphite+Electrode%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">In Situ Observation of Strains during Lithiation of a Graphite Electrode.</a> J Electrochem Soc. 157, A741-A747 (2010).</li>
<li>Eastwood, D. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+characterization+of+electrodeposited+lithium+microstructures+using+synchrotron+X-ray+phase+contrast+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Commun%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional characterization of electrodeposited lithium microstructures using synchrotron X-ray phase contrast imaging.</a> Chem Commun. , (2014).</li>
<li>Shui, J. -L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reversibility+of+anodic+lithium+in+rechargeable+lithium%E2%80%93oxygen+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+commun%22%5BJournal%5D)">Reversibility of anodic lithium in rechargeable lithium–oxygen batteries.</a> Nat commun. 4, (2013).</li>
<li>Harry, K. J., Hallinan, D. T., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Balsara, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+subsurface+structures+underneath+dendrites+formed+on+cycled+lithium+metal+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">Detection of subsurface structures underneath dendrites formed on cycled lithium metal electrodes.</a> Nat Mater. 13, 69-73 (2014).</li>
<li>Baruchel, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+synchrotron+hard+X-ray+based+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Cr+Phys%22%5BJournal%5D)">Advances in synchrotron hard X-ray based imaging.</a> Cr Phys. 9, 624-641 (2008).</li>
<li>Flannery, B. P., Deckman, H. W., Roberge, W. G., D'Amico, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+X-ray+Microtomography%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional X-ray Microtomography.</a> Science. 237, 1439-1444 (1987).</li>
<li>Singh, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+molecular+weight+on+the+mechanical+and+electrical+properties+of+block+copolymer+electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Effect of molecular weight on the mechanical and electrical properties of block copolymer electrolytes.</a> Macromolecules. 40, 4578-4585 (2007).</li>
<li>Monroe, C., Newman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Impact+of+Elastic+Deformation+on+Deposition+Kinetics+at+Lithium%2FPolymer+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">The Impact of Elastic Deformation on Deposition Kinetics at Lithium/Polymer Interfaces.</a> J Electrochem Soc. 152, A396-1149 (2005).</li>
<li>Stone, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resolution+of+the+Modulus+versus+Adhesion+Dilemma+in+Solid+Polymer+Electrolytes+for+Rechargeable+Lithium+Metal+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">Resolution of the Modulus versus Adhesion Dilemma in Solid Polymer Electrolytes for Rechargeable Lithium Metal Batteries.</a> J Electrochem Soc. 159, A222-A227 (2012).</li>
<li>Panday, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+Molecular+Weight+and+Salt+Concentration+on+Conductivity+of+Block+Copolymer+Electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Effect of Molecular Weight and Salt Concentration on Conductivity of Block Copolymer Electrolytes.</a> Macromolecules. 42, 4632-4637 (2009).</li>
<li>Avizo v.8.1. , FEI Company. Hillsboro, Oregon. Available from: 
	
 <a target="_blank" href="http://www.vsg3d.com/">http://www.vsg3d.com/</a> (2014).</li>
<li>Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NIH+Image+to+ImageJ%3A+25+years+of+image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+methods%22%5BJournal%5D)">NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis.</a> Nat methods. 9, 671-675 (2012).</li>
<li>Henke, B. L., Gullikson, E. M., Davis, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-Ray+Interactions+-+Photoabsorption%2C+Scattering%2C+Transmission+and+Reflection+at+E%3D50-30%2C000+Ev%2C+Z%3D1-92+%28Vol+54%2C+Pg+181%2C+1993%29%5BTitle%5D)+AND+%22Atom+Data+Nucl+Data%22%5BJournal%5D)">X-Ray Interactions - Photoabsorption, Scattering, Transmission and Reflection at E=50-30,000 Ev, Z=1-92 (Vol 54, Pg 181, 1993).</a> Atom Data Nucl Data. 55, 349-349 (1993).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Harten Röntgenmikrotomographie ist besonders gut geeignet für die luftempfindlichen Proben, wie viele elektrochemisch aktiven Materialien, da die Röntgenstrahlen durch Schutztasche Material eindringen, so dass einfache Abbildung der Probe ohne Kontakt mit Luft. Vielleicht die wertvolle Eigenschaft dieser Abbildungstechnik ist, dass die eindringenden Röntgenstrahlen dem Benutzer erlauben, im Inneren der Probe ohne Zerstörung sehen. Häufigste bildgebenden Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie und traditionelle optisch...

Forscher untersuchen aktiv Batteriechemien mit theoretischen Energiedichten, die über eine Größenordnung größer sind als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. 1,2 Diese Batterien mit hoher Energiedichte werden Elektrofahrzeuge wettbewerbsfähiger gegenüber ihren benzinbetriebenen Pendants machen. 3 Diese neuen Chemikalien weisen jedoch mehrere Fehlermodi auf, die ihren Einsatz in kommerziellen Technologien ausschließen. Zum Beispiel benötigen diese Batteriechemien eine Lithium-Metall-Anode, um eine große Verbesserung der Energiedichte zu erzielen. Leider ist Lithiummetall anfällig für Dendritenwachstum, da Lithium-Ionen während des Ladevorgangs an der Anodenoberfläche reduziert werden. 4-9 Darüber hinaus können der Bruch aktiver Partikel in der Kathode und eine schlechte Haftung in der Batterie zu einem Ausfall der Zelle führen. 10
Viele Arten von Batterieausfällen treten auf der Mikrometerskala auf. Die meisten Batteriematerialien sind jedoch luftempfindlich, was die Probenvorbereitung für die Analyse durch Elektronenmikroskopie und traditionelle optische Mikroskopie erschwert. Die Synchrotron-Mikrotomographie mit harter Röntgenstrahlung ermöglicht es, das Innere einer Batterie ohne Demontage sichtbar zu machen. 11-14 Darüber hinaus erzeugt die Technik eine dreidimensionale (3D) Rekonstruktion der zusammengesetzten Zelle, die es einfach macht, Fehlerstellen zu finden. 15 Die Suche nach robusten Techniken, die es Forschern ermöglichen, das wissenschaftliche Verständnis zu entwickeln, das erforderlich ist, um die Lebensdauer einer Batterie genau vorherzusagen, ist entscheidend für die Entwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation. Das hierin diskutierte Verfahren wird speziell demonstrieren, wie man Modellbatterien vorbereiten und abbilden kann, um das Wachstum von Lithium-Metall-Dendriten durch feste Polymerelektrolytmembranen zu untersuchen.
Das Scannen von Computertomographie (CT) ist keine neue Technik und wird in der Industrie häufig zur Fehleranalyse eingesetzt. Die Synchrotron-basierte Röntgenmikrotomographie ist vorteilhaft, da die hohe Helligkeit und der hohe Lichtstrom der Quelle die Aufnahme von Bildern mit hoher Auflösung und gutem Signal-Rausch-Verhältnis in viel kürzerer Zeit ermöglichen. 16 Darüber hinaus kann man die Röntgenenergieauflösung nutzen, um bei Energien um die Absorptionskante einer chemischen Spezies herum abzubilden, wodurch die Komponenten, die diese chemische Spezies enthalten, identifiziert werden können. 17 Es wurde festgestellt, dass die Synchrotronquelle einen ausreichenden Fluss liefert, um einen guten Kontrast zwischen Lithium-Metall- und Festpolymer-Elektrolytmembranen zu erzielen, was die Abbildung von Lithium-Metall-Dendriten ermöglicht. Nr. 15
Die hier diskutierte Studie verwendet eine Block-Copolymer-Elektrolytmembran mit hohem Modul. 18 Diese Membranen mit hohem Modul unterdrücken das Wachstum von Lithium-Dendriten und verlängern so die Lebensdauer der Batterien. 19,20 Dendriten durchstechen jedoch immer noch die Membran, was dazu führt, dass die Batterie durch Kurzschluss ausfällt. Es ist wichtig, die Art der Dendritenbildung und des Dendritenwachstums in diesen Elektrolytmembranen mit hohem Modul zu verstehen, um Strategien zu entwickeln, um ihr Wachstum zu verhindern.

<table><tbody><tr><td>Wasserfreies N-Methyl-2-pyrrolidon&nbsp;</td><td>MILLIPORE</td><td>MX1396-7</td><td></td></tr><tr><td>Lithium-Bis(trifluormethan)sulfonamid</td><td>MILLIPORE</td><td>8438730010</td><td></td></tr><tr><td>Lithium-Metall</td><td>FMC Lithium</td><td>Keine</td><td>Lectro Max 100</td></tr><tr><td>Pouch-Material</td><td>MTI Corporation</td><td>EQ-alf-400-7.5M</td><td></td></tr><tr><td>Nickel-Tabs</td><td>MTI Corporation</td><td>EQ-PLiB-NTA3</td><td></td></tr></tbody></table>

fehleranalyse von batterien unter verwendung synchrotron-basierte feströntgenmikrotomographie

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Die Abbildung morphologischer Veränderungen, die während der Lebensdauer von wiederaufladbaren Batterien auftreten, ist notwendig, um zu verstehen, wie diese Geräte versagen. Seit dem Aufkommen von Lithium-Ionen-Batterien wissen Forscher, dass die Lithium-Metall-Anode die höchste theoretische Energiedichte aller Anodenmaterialien aufweist. Wiederaufladbare Batterien, die eine Lithium-Metall-Anode enthalten, werden jedoch nicht häufig in Konsumgütern verwendet, da das Wachstum von Lithium-Dendriten aus der Anode beim Laden der Batterie zu einem vorzeitigen Zellausfall durch Kurzschluss führt. Lithium-Dendriten können sich auch in handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien mit Graphitanoden bilden, wenn diese falsch geladen werden. Wir zeigen, dass das Wachstum von Lithium-Dendriten mit Hilfe der Synchrotron-basierten harten Röntgenmikrotomographie untersucht werden kann. Dieses zerstörungsfreie Bildgebungsverfahren ermöglicht es Forschern, das Wachstum von Lithium-Dendriten sowie andere morphologische Veränderungen im Inneren von Batterien zu untersuchen und anschließend Methoden zur Verlängerung der Batterielebensdauer zu entwickeln.

Wenn die oben beschriebene symmetrische Lithium-Lithium-Zellen werden bei 90 ° C gefahren, sieht die Spannungsantwort wie in Abbildung 1 gezeigt ist. Schließlich wird Lithiumdendriten durch den Elektrolyten zu wachsen und der Zelle führen, durch Kurzschluß ausfallen. Wenn dies geschieht, wird der Spannungsantwort auf den angelegten Strom auf 0,00 V. Dendriten fallen, wie in Figur 2 gezeigt in Proben, die durch Kurzschluss ausgefallen angezeigt. Nichtelektrolyt spannt De...

Die auf Synchrotron basierende harte Röntgenmikrotomographie wird verwendet, um das elektrochemische Wachstum von Dendriten von einer Lithiummetallelektrode durch eine feste Polymerelektrolytmembran abzubilden.

Fehleranalyse von Batterien unter Verwendung Synchrotron-basierte Feströntgenmikrotomographie

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Das allgemeine Ziel dieses Verfahrens besteht darin, das Innere einer Modellbatterie sichtbar zu machen, die aus zwei Lithium-Metall-Elektroden besteht, die durch eine Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt sind. Dies wird erreicht, indem zunächst ein Polymer-Elektrolyt-Film durch Lösungsmittelguss hergestellt wird. Der zweite Schritt besteht darin, die Proben zusammenzubauen, indem ein Stück der Polymer-Elektrolyt-Membran zwischen zwei Lithium-Metall-Elektroden eingebracht und unter Vakuum in einer luftdichten Tüte versiegelt wird.Anschließend werden die Proben galvanostatisch zyklisiert, bis sie durch Kurzschluss ausfallen oder über den gewünschten Zeitraum hinaus. Der letzte Schritt besteht darin, die Probenmenge zu verkleinern, die Nickel-Anschlusslaschen zu entfernen und anschließend mittels Röntgen-Mikro-Computertomographie zu untersuchen. Letztendlich dient die Röntgen-Mikro-Computertomographie-Bildgebung dazu, morphologische Veränderungen wie das Wachstum von Dendriten in den Lithium-Metall-Elektroden und im Polymer-Elektrolyten in Abhängigkeit von der Zyklierung darzustellen.Der Hauptvorteil dieser Technik im Vergleich zu bestehenden Methoden wie der Elektronenmikroskopie besteht darin, dass die entstehenden Bilder das Innere der Elektroden- und Elektrolytschichten zeigen und Strukturen offenbaren, die bei der Verwendung herkömmlicher Bildgebungsverfahren verborgen bleiben. Vor Beginn dieses Verfahrens wird Polystyrol-block-polyethylenglykol-Copolymer oder SEO mittels anionischer Polymerisation gemäß dem im Text beschriebenen Protokoll synthetisiert. Die gesamte Probenvorbereitung erfolgt in einer Argon-Handschuhbox, in der die Gehalte an Wasser und Sauerstoff kontrolliert werden und unter fünf Teilen pro Million bleiben. Lösen Sie 0,3 Gramm Polymer in wasserfreiem Methyl-2-pyrrolidon oder NMP mit trockenem Lithiumbistrifluormethansulfonamid oder L-I-T-F-S-I-Salz.Verwenden Sie ein Verhältnis von L-I-T-F-S-I-Salz zu SEO-Masse von 0,275 und ein Verhältnis von NMP zu SEO-Masse von 13,13. Diese Menge an Polymer liefert eine Membran, die groß genug ist, um etwa 20 Proben herzustellen. Erhitzen Sie die Lösung auf einer Heizplatte auf 90 Grad Celsius und rühren Sie, bis das Polymer vollständig gelöst ist.Gießen Sie die gesamte Polymer- und Salzmischung auf ein etwa 15 mal 15 Zentimeter großes quadratisches Stück Nickelfolie mithilfe eines Arzneispatels ab. Bedecken Sie den Film mit Aluminiumfolie und lassen Sie ihn über Nacht auf der Gießplatte bei 60 Grad Celsius trocknen.Nach dem Trocknen die Folie von der Nickelfolie ablösen und sie anschließend unter Vakuum bei 90 Grad Celsius weiter trocknen lassen. Die erhaltene freistehende Folie in Nickelfolie einwickeln und in einer luftdichten Box innerhalb des Handschuhkastens für die spätere Verwendung aufbewahren. Mit einer runden Metallstanzform mit einem Durchmesser von sieben Sechzehntel Zoll zwei Lithium-Metall-Elektroden aus einer Rolle mit 99,9 % reinem, batterietauglichem Lithium-Metallfolie ausschneiden.Verwenden Sie dann einen Metallstanzer mit einem Durchmesser von einem halben Zoll, um ein Stück Polymer-Elektrolyt-Folie auszustanzen. Legen Sie die Polymer-Elektrolyt-Folie zwischen die beiden Lithium-Metall-Elektroden und drücken Sie die Nickel-Anschlusslaschen auf die Elektroden. Versiegeln Sie die Probe vakuumdicht in einer luftdichten Tüte aus aluminiumbeschichtetem Polypropylen und Nylon. Eine der Lithium-Elektroden kann leicht durch eine Kathode ersetzt werden.Wenn man eine vollständige Batterie untersuchen möchte, um symmetrische Zellen-Zyklen durchzuführen, wird die vakuumversiegelte Probe in einen Ofen bei 90 Grad Celsius gegeben und mithilfe elektrochemischer Zyklen-Ausrüstung zyklisiert. Die Probe während des Zyklierens erwärmen, um eine ausreichende ionische Leitfähigkeit durch die Elektrolytmembran zu erreichen; aus Sicherheitsgründen sicherstellen, dass die Probe nicht an den Schmelzpunkt von Lithium-Metall von 180 Grad Celsius herankommt.Geben Sie eine Stromdichte von 0,175 Milliampere pro Quadratzentimeter vier Stunden lang durch die Probe und schließen Sie eine Ruhephase von 45 Minuten an. Danach geben Sie eine Stromdichte von negativen 0,175 Milliampere pro Quadratzentimeter vier Stunden lang durch die Probe und schließen erneut eine Ruhephase von 45 Minuten an. Wiederholen Sie diesen Zyklenablauf beliebig oft.Nachdem die symmetrische Zelle zykliert wurde, bringen Sie sie in die Handschuhbox zurück und nehmen Sie sie aus ihrer Hülle heraus. Verwenden Sie einen Metallstanzdorn mit einem Durchmesser von einem Achtel Zoll, um den mittleren Bereich der Zelle unter Vakuum herauszuschneiden. Versiegeln Sie den mittleren Bereich der Zelle in Hüllmaterial und nehmen Sie ihn aus der Handschuhbox heraus, um ihn zum Synchrotron-Forschungszentrum zu transportieren.Bringen Sie die Probe am Messplatz an, indem Sie sie mit Polyamidband an der Probenhalterung befestigen. Platzieren Sie den Metallmarker ungefähr in der Mitte der Probe, um die Drehachse der Probe zu markieren. Richten Sie die Probe aus und befestigen Sie sie anschließend auf der rotierenden Halterung in der Strahlkammer des Messplatzes.Verwenden Sie zur Bildgebung 20 Kiloelektronenvolt-Röntgenstrahlen, um die Probe mit einer für das System optimierten Belichtungszeit abzubilden. Optimieren Sie die Belichtungszeit, indem Sie die Abtastzeit und die Anzahl der Zählungen pro Bild gegeneinander abwägen. Schätzen Sie die gesamte Abtastzeit, indem Sie die Belichtungszeit mit der hier gesammelten Anzahl von Bildern multiplizieren.Verwenden Sie eine Belichtungszeit von 300 Millisekunden, was eine Scanzeit von fünf bis 10 Minuten ergibt. Messen Sie die dem optischen Objektiv zugeordnete Pixelgröße zu Beginn jeder Strahlzeitverschiebung und richten Sie die Probe auf einem Rotationsstadium bezüglich des Detektionssystems aus, sodass sie während der Drehung um 180 Grad im Sichtfeld des Detektors bleibt. Positionieren Sie die Probe so nah wie möglich am Detektor, wobei sichergestellt werden muss, dass die Probe bei keinem Rotationswinkel den Detektor berührt.Nach der Ausrichtung eine Aufnahme durchführen, die aus 1025 Bildern besteht, die bei Probendrehungen zwischen null und 180 Grad aufgenommen werden. Während der Aufnahme werden automatisch eine Reihe von Hellfeld- und Dunkelfeldbildern erfasst. Hellfeldbilder erfassen, indem die Probe aus dem Sichtfeld bewegt wird.Sammeln Sie zusätzlich Dunkelfeldbilder, indem Sie Aufnahmen aufnehmen, während der Strahl ausgeschaltet ist. Verwenden Sie diese, um die Probenbilder aufgrund inhomogener Beleuchtung und später Antwort sowie der CCD-Kamera-Antwort zu normalisieren. Repräsentative galvanostatische Zyklierungsergebnisse für eine symmetrische Zelle aus Lithiummetall-Polymer-Elektrolyt werden hier gezeigt, um einen ionischen Strom von 0,175 Milliampere pro Quadratzentimeter anzulegen. Nach dem Zyklieren ist eine Spannung von etwa 0,07 Volt erforderlich.Die Probe wird mittels Röntgen-Mikrotomographie mit harten Röntgenstrahlen abgebildet. Das hier gezeigte Schema veranschaulicht, wie die Probe in Bezug auf den einfallenden Strahl positioniert ist. Bildaufnahmen werden kontinuierlich erfasst, während die Probe um 180 Grad rotiert wird.Das hier gezeigte Röntgenbild ist ein Beispiel für eines der Tausenden von Aufnahmen des Probenmaterials während dessen Rotation. Die Helligkeit der Pixel im Röntgenbild ist proportional zur Menge an Röntgenstrahlen, die durch diesen Bereich der Probe hindurchgetreten sind. Das hier dargestellte Bild ist eine Querschnittsschnitt durch den rekonstruierten Datensatz der zuvor gezeigten Probe nach der Rekonstruktion.Feine Strukturen wie der auf der linken Seite des Bildes markierte Lithium-Metall-Dendrit sind sichtbar. Eine 3D-Darstellung dieses Lithium-Dendrits wurde aus dem Stapel rekonstruierter Röntgenbilder erstellt. Die oberen und unteren Elektroden wurden transparent gemacht, um die Morphologie des in Orange dargestellten Lithium-Dendrits sichtbar zu machen, der nach seiner Entstehung den in Hellblau dargestellten Polymer-Elektrolyten durchdringt.Diese Technik ebnete den Weg für Forscher auf dem Gebiet der elektrochemischen Verfahrenstechnik, die Gründe für Batterieausfälle zu untersuchen.

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Research

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JoVE Journal

Engineering

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