La microtomografía de rayos X dura basada en sincrotrón se utiliza para obtener imágenes del crecimiento electroquímico de las dendritas de un electrodo de metal de litio a través de una membrana de electrolito de polímero sólido.
Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Artículo de método
Análisis de Falla en Baterías Utilizando Microtomografía duro de rayos X a base de Sincrotrón
En este artículo
Resumen
Resumen
Es necesario obtener imágenes de los cambios morfológicos que ocurren durante la vida útil de las baterías recargables para comprender cómo fallan estos dispositivos. Desde la llegada de las baterías de iones de litio, los investigadores han sabido que el ánodo de metal de litio tiene la densidad de energía teórica más alta de cualquier material de ánodo. Sin embargo, las baterías recargables que contienen un ánodo de metal de litio no se usan ampliamente en productos de consumo porque el crecimiento de dendritas de litio del ánodo al cargar la batería provoca una falla prematura de la celda por cortocircuito. Las dendritas de litio también pueden formarse en baterías comerciales de iones de litio con ánodos de grafito si se cargan incorrectamente. Demostramos que el crecimiento de la dendrita de litio se puede estudiar utilizando microtomografía de rayos X duros basada en sincrotrón. Esta técnica de imagen no destructiva permite a los investigadores estudiar el crecimiento de las dendritas de litio, además de otros cambios morfológicos dentro de las baterías, y posteriormente desarrollar métodos para prolongar la vida útil de las baterías.
Introducción
Los investigadores están investigando activamente la química de las baterías con densidades de energía teóricas de más de un orden de magnitud mayores que las baterías tradicionales de iones de litio. 1,2 Estas baterías de alta densidad energética harán que los vehículos eléctricos sean más competitivos con respecto a sus homólogos de gasolina. 3 Sin embargo, estas nuevas químicas tienen varios modos de falla que impiden su uso en tecnologías comerciales. Por ejemplo, estas químicas de batería requieren un ánodo de metal de litio para lograr grandes mejoras en la densidad de energía; Desafortunadamente, el litio metálico es propenso al crecimient....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Protocolo
1. Preparación de electrolitos
- Sintetizar un 240 kg / mol - 260 kg / mol de poli (estireno) - bloque - poli (óxido de etileno) copolímero (SEO) usando polimerización aniónica.
- Realizar toda la preparación de la muestra adicional en una guantera Argón donde se controlan los niveles de agua y oxígeno y permanecer <5 ppm.
- Disolver 0,3 g de polímero en anhidro N-metil-2-pirrolidona (NMP) con bis de litio seco (trifluorometano) sulfonimida (LiTFSI) sal. Utilice una sal LiTFSI a masa SEO de 0.275 y un NMP de SEO relación de masa de 13,13.
Nota: Esta cantidad de polímero producirá una membrana suficientemente grande para hacer a....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Resultados
Cuando las células de litio-litio simétricos descritos anteriormente se ciclan a 90 ° C, la respuesta de tensión se parece a la que se muestra en la Figura 1. Eventualmente, las dendritas de litio crecerán a través del electrolito y causar la célula falle por cortocircuito. Cuando esto sucede, la respuesta de tensión a la corriente aplicada se desplegará a 0,00 V. Las dendritas, como la que se muestra en la Figura 2 aparece en muestras que han fracasado.......
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Discusión
Microtomografía de rayos X duro es especialmente adecuado para muestras sensibles al aire, al igual que muchos materiales electroquímicamente activos, ya que los rayos X pueden penetrar a través de material de la bolsa protectora, permitiendo de imágenes fácil de la muestra sin exposición al aire. Tal vez la más valiosa característica de esta técnica de imagen es que los rayos X penetran permiten al usuario ver el interior de la muestra sin destruirlo. La mayoría de las técnicas de imagen comunes, como la microscopía el.......
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
La financiación principal para el trabajo fue proporcionada por el Programa de Microscopía Electrónica de Materia Blanda de la Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía, División de Ciencias de los Materiales e Ingeniería del Departamento de Energía de los EE. UU. bajo el Contrato No. DE-AC02-05CH11231. La parte de ensamblaje de baterías del proyecto fue apoyada por el programa BATT del programa de Tecnologías de Vehículos, a través de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable bajo el contrato DE-AC02-05CH11231 del Departamento de Energía de EE. UU. Se realizaron experimentos de microtomografía de rayos X duros en la Fuente de Luz Av....
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| N-metil-2-pirrolidona anhidra | MILLIPORE | MX1396-7 | |
| Litio bis(trifluorometano)sulfonamida | MILLIPORE | 8438730010 | |
| Litio metálico | FMC Litio | Ninguno | Lectro Max 100 |
| Material de la bolsa | MTI Corporation | EQ-alf-400-7.5M | |
| Lengüetas de níquel | MTI Corporation | EQ-PLiB-NTA3 |
Referencias
- Bruce, P. G., Freunberger, S. A., Hardwick, L. J., Tarascon, J. M. Li-O-2 and Li-S batteries with high energy storage. Nat Mater. 11, 19-29 (2012).
- Balsara, N. P., Newman, J. Comparing the Energy Content of Batteries, Fuels, and Materials. J Chem Educ. 90, 446-452 (2013).
Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Reimpresiones y permisos
