Fehleranalyse von Batterien unter Verwendung Synchrotron-basierte Feströntgenmikrotomographie

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, das Innere einer Modellbatterie sichtbar zu machen, die aus zwei Lithium-Metall-Elektroden besteht, die durch eine Polymerelektrolytmembran getrennt sind. Dies wird erreicht, indem zunächst ein Polymerelektrolytfilm mit Lösungsmittel gegossen wird. Der zweite Schritt besteht darin, die Proben zusammenzusetzen, indem ein Stück des Polymerelektrolyten zwischen zwei Lithium-Metall-Elektroden eingeklemmt und in einem luftdichten Beutel vakuumiert wird.

Anschließend werden die Proben galvanisch statisch zyklisch getaktet, bis sie durch Kurzschluss versagen oder so lange wie gewünscht. Der letzte Schritt besteht darin, die Probengröße zu reduzieren, die Nickeltabletten zu entfernen und dann durch harte Röntgenmikrotomographie abzubilden. Letztendlich wird die Röntgenmikrotomographie verwendet, um morphologische Veränderungen wie das Dendritenwachstum in den Lithium-Metall-Elektroden und dem Polymerelektrolyten in Abhängigkeit von den Zyklen zu zeigen.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie der Elektronenmikroskopie besteht darin, dass die resultierenden Bilder das Innere der Elektroden- und Elektrolytschichten zeigen und Strukturen offenbaren, die mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren verborgen sind. Bevor Sie mit diesem Verfahren beginnen, synthetisieren Sie Polystyrol, Blockpolyethylenoxid, Copolymer oder SEO unter Verwendung einer onischen Polymerisation, wie im Textprotokoll angegeben. Führen Sie die gesamte Probenvorbereitung in einer Argonnen-Handschuhbox durch, in der der Wasser- und Sauerstoffgehalt kontrolliert wird und sich weniger als fünf Teile pro Million auflösen. 0,3 Gramm Polymer in wasserfreien und Methyl-Zwei-Pyro oder NMP mit trockenem Lithium-Brif-Fluor, Methansulfonamid oder L-I-T-F-S-I-Salz.

Verwenden Sie ein L-I-T-F-S-I-Salt-zu-SEO-Massenverhältnis von 0,275 und ein NMP-zu-SEO-Massenverhältnis von 13,13. Diese Menge Polymer ergibt eine Membran, die groß genug ist, um etwa 20 Proben herzustellen. Essen Sie die Lösung auf einer heißen Platte auf 90 Grad Celsius und lassen Sie sie rühren, bis sich das Polymer aufgelöst hat.

Gießen Sie die gesamte Polymer-Salz-Mischung auf ein etwa 15 mal 15 Zentimeter großes Stück Nickelfolie. Mit einer Rakel locker arbeiten. Decken Sie die Folie mit Alufolie ab und lassen Sie sie über Nacht bei 60 Grad Celsius auf der Gießplatte trocknen.

Nach dem Trocknen die Folie von der Nickelfolie abziehen und unter Vakuum bei 90 Grad Celsius weiter trocknen lassen. Wickeln Sie die entstandene freistehende Folie in Nickelfolie ein und bewahren Sie sie für die spätere Verwendung in einer luftdichten Box im Handschuhfach auf. Verwenden Sie einen runden Metallstempel mit einem Durchmesser von 16 Zoll, um zwei Lithium-Metallelektroden aus einer Rolle aus 99,9 % reiner Lithium-Metallfolie in Batteriequalität auszuschneiden.

Schneiden Sie dann mit einem Metallstempel mit einem Durchmesser von einem halben Zoll ein Stück Polymerelektrolytfilm aus, sandwichen Sie den Polymerelektrolytfilm zwischen die beiden Lithium-Metall-Elektroden und drücken Sie die Nickellaschen auf die Elektroden. Vakuumieren Sie die Probe in einem luftdichten Beutel aus Polypropylen und mit Nylon ausgekleidetem Aluminium. Eine der Lithium-Elektroden kann einfach gegen eine Kathode ausgetauscht werden.

Wenn man eine volle Batterie untersuchen möchte, um symmetrische Zellzyklen durchzuführen. Legen Sie die vakuumversiegelte Probe in einen Ofen bei 90 Grad Celsius und führen Sie den Zyklus mit elektrochemischen Zyklusgeräten durch. Erhitzen Sie die Probe während des Zyklus, um eine angemessene Ionenleitfähigkeit durch die Elektrolytmembran zu erreichen, und stellen Sie sicher, dass sich die Probe nicht dem Lithiummetallschmelzpunkt von 180 Grad Celsius nähert.

Lassen Sie eine Stromdichte von 0,175 Milliampere pro Quadratzentimeter vier Stunden lang durch die Probe und folgen Sie mit einer 45-minütigen Pause. Lassen Sie anschließend eine Stromdichte von minus 0,175 Milliampere pro Quadratzentimeter vier Stunden lang durch die Probe und machen Sie anschließend eine 45-minütige Pause. Wiederholen Sie diese Fahrradroutine so oft wie gewünscht.

Nachdem die symmetrische Zelle durchlaufen wurde, bringen Sie sie zurück in das Handschuhfach und nehmen Sie sie aus dem Beutel. Verwenden Sie einen Metallstempel von einem Achtel Zoll, um den mittleren Teil des Zellenvakuums auszuschneiden. Versiegeln Sie den mittleren Teil der Zelle mit Beutelmaterial und nehmen Sie es aus dem Handschuhfach, um es zur Synchrotronanlage zu transportieren.

Sobald Sie sich an der Strahllinie befinden, verwenden Sie Polyamidband, um die Probe auf dem Probentisch zu befestigen. Platzieren Sie den Metallmarker ungefähr in der Mitte der Probe, um die Stelle zu markieren, um die sich die Probe drehen wird. Montieren Sie nach dem Ausrichten die Probe auf dem rotierenden Tisch in der Beamline-Hütte.

Verwenden Sie für die Bildgebung 20-Kiloelektronenvolt-Röntgenstrahlen, um die Probe mit einer für das System optimierten Belichtungszeit abzubilden. Optimieren Sie die Belichtungszeit, indem Sie die Scanzeit und die Anzahl der Zählungen pro Bild ausgleichen. Schätzen Sie die Gesamtscanzeit, indem Sie die Belichtungszeit mit der Anzahl der hier gesammelten Bilder multiplizieren.

Verwenden Sie eine Belichtungszeit von 300 Millisekunden, was zu einer Scanzeit von fünf bis 10 Minuten führt. Messen Sie die Pixelgröße, die mit den optischen Linsen zu Beginn jeder Strahlzeitverschiebungsposition verbunden ist, und richten Sie die Probe auf einem Rotationstisch in Bezug auf das Detektionssystem aus, so dass sie im Sichtfeld des Detektors bleibt, wenn er sich um 180 Grad dreht. Positionieren Sie die Probe so nah wie möglich am Detektor und stellen Sie sicher, dass die Probe nicht in einem beliebigen Drehwinkel auf den Detektor trifft.

Führen Sie nach dem Ausrichten einen Scan durch, der aus 1025 Bildern besteht, die über Probendrehungen zwischen null und 180 Grad aufgenommen wurden. Während des Scans wird automatisch eine Reihe von Hellfeld- und Dunkelfeldbildern erfasst. Erfassen Sie Hellfeldbilder, indem Sie die Probe aus dem Sichtfeld bewegen.

Sammeln Sie zusätzlich Dunkelfeldbilder, indem Sie Bilder aufnehmen, während der Strahl ausgeschaltet ist. Verwenden Sie diese, um die Beispielbilder für die spätere Reaktion der homogenen Beleuchtung und die Reaktion der CCD-Kamera zu normalisieren. Repräsentative Ergebnisse des statischen Zyklus von Galvan für eine symmetrische Zelle mit Lithium-Metall-Polymer-Elektrolyten sind hier dargestellt, um einen Ionenstrom von 0,175 Milliampere pro Quadratzentimeter anzulegen. Nach dem Radfahren wird eine Spannung von ca. 0,07 Volt benötigt.

Die Probe wird mittels harter Röntgen-Mikrotomographie abgebildet. Das hier gezeigte Schema veranschaulicht, wie die Probe in Bezug auf den Vorfall positioniert ist. Die Strahlbilder werden kontinuierlich aufgenommen, während die Probe um 180 Grad gedreht wird.

Das hier gezeigte Röntgenbild ist ein Beispiel für eines von Tausenden von Bildern, die von der Probe aufgenommen wurden, während sie gedreht wurde. Die Helligkeit der Pixel im Röntgenbild ist proportional zur Menge der Röntgenstrahlen, die durch diesen Bereich der Probe durchgelassen werden. Das hier gezeigte Bild ist ein Querschnitt durch den rekonstruierten Datensatz für die zuvor gezeigte Stichprobe nach der Rekonstruktion.

Feine Merkmale wie der Lithiummetall-Dendrit, der auf der linken Seite des Bildes zu sehen ist, sind sichtbar. Ein 3D-Rendering dieses Lithium-Dendriten wird aus dem Stapel rekonstruierter Röntgenbilder erstellt. Die obere und untere Elektrode sind transparent gemacht, so dass man die Morphologie des Lithium-Dendriten in Orange sehen kann, der den Polymerelektrolyten nach seiner Entwicklung in Hellblau durchsticht.

Diese Technik ebnete Forschern auf dem Gebiet der Elektrochemie den Weg, um die Ursache für den Ausfall von Batterien zu erforschen.