Análisis de Falla en Baterías Utilizando Microtomografía duro de rayos X a base de Sincrotrón

El objetivo general de este procedimiento es visualizar el interior de un modelo de batería compuesto por dos electrodos de metal de litio separados por una membrana de electrolito polimérico. Esto se logra primero fundiendo con solvente una película de electrolito polimérico. El segundo paso es ensamblar las muestras intercalando una pieza del electrolito polimérico entre dos electrodos de metal de litio y sellar al vacío en una bolsa hermética.

A continuación, las muestras se ciclan estáticamente hasta que fallan por cortocircuito o durante el tiempo que se desee. El paso final es reducir el tamaño de la muestra, quitar las lengüetas de níquel y luego obtener imágenes mediante microtomografía de rayos X duros. En última instancia, la microtomografía de rayos X se utiliza para mostrar cambios morfológicos como el crecimiento de dendritas en los electrodos de metal de litio y el electrolito polimérico en función del ciclo.

La principal ventaja de esta técnica sobre los métodos existentes, como la microscopía electrónica, es que las imágenes resultantes muestran el interior del electrodo y las capas de electrolitos revelando estructuras que están ocultas mediante las técnicas de imagen tradicionales. Antes de comenzar este procedimiento, sintetice poliestireno, óxido de polietileno en bloque, copolímero o SEO utilizando la polimerización ónica como se menciona en el protocolo de texto. Realice toda la preparación de muestras en una guantera Argonne donde los niveles de agua y oxígeno estén controlados y permanezcan por debajo de cinco partes por millón de disolución. 0,3 gramos de polímero en anhidro y metilo dos piro o NMP con litio brif fluoro seco, metano sulfonamida o sal L-I-T-F-S-I.

Utilice una relación de masa de sal L-I-T-F-S-I de 0,275 y una relación de masa de NMP a SEO de 13,13. Esta cantidad de polímero producirá una membrana lo suficientemente grande como para hacer aproximadamente 20 muestras. Coma la solución a 90 grados centígrados en un plato caliente y deje que se revuelva hasta que el polímero se disuelva.

Vierta toda la mezcla de polímero y sal en una pieza cuadrada de papel de níquel de aproximadamente 15 por 15 centímetros. Usar una rasqueta sin apretar. Cubra la película con papel de aluminio y deje que se seque en la placa de fundición a 60 grados centígrados durante la noche.

Después del secado, retire la película del papel de níquel y deje que se seque más al vacío a 90 grados centígrados. Envuelva la película independiente resultante en papel de níquel y guárdela dentro de una caja hermética en la guantera para su uso posterior. Use un punzón de metal redondo de siete 16 pulgadas de diámetro para cortar dos electrodos de metal de litio de un rollo de papel de aluminio de litio puro al 99,9%.

Luego, use un punzón de metal de media pulgada de diámetro para cortar un trozo de película de electrolito polimérico, intercala la película de electrolito polimérico entre los dos electrodos de metal de litio y presione las lengüetas de níquel sobre los electrodos. Selle al vacío la muestra en una bolsa hermética hecha de polipropileno y aluminio revestido de nailon. Uno de los electrodos de litio se intercambia fácilmente por un cátodo.

Si se quiere estudiar una batería completa para realizar un ciclo de celda simétrico. Coloque la muestra sellada al vacío en un horno que se mantenga a 90 grados centígrados y realice el ciclo utilizando un equipo de ciclo electroquímico. Caliente la muestra durante el ciclo para lograr una conductividad iónica razonable a través de la membrana electrolítica por seguridad, asegúrese de que la muestra no se acerque al punto de fusión del metal de litio de 180 grados Celsius.

Pase una densidad de corriente de 0,175 miliamperios por centímetro cuadrado a través de la muestra durante cuatro horas y siga con un descanso de 45 minutos. A continuación, pase una densidad de corriente de menos 0,175 miliamperios por centímetro cuadrado a través de la muestra durante cuatro horas y siga con un descanso de 45 minutos. Repite esta rutina de ciclismo tantas veces como desees.

Después de realizar el ciclo de la celda simétrica, devuélvala a la guantera y retírela de su bolsa. Use un punzón de metal de un octavo de pulgada para cortar la parte central de la aspiradora de celdas. Selle la parte central de la celda en material de bolsa y retírela de la guantera para transportarla a la instalación de sincrotrón.

Una vez en la línea del haz, utilice cinta de poliamida para fijar la muestra a la etapa de muestra. Coloque el marcador de metal aproximadamente en el centro de la muestra para marcar la ubicación alrededor de la cual girará la muestra. Una vez alineada, monte la muestra en la platina giratoria de la caseta de la línea de luz.

Para la obtención de imágenes, utilice rayos X de electrones voltios de 20 kilos para obtener imágenes de la muestra con un tiempo de exposición optimizado para el sistema. Optimice el tiempo de exposición equilibrando el tiempo de escaneo y el número de recuentos por imagen. Calcule el tiempo total de escaneo multiplicando el tiempo de exposición por el número de imágenes recopiladas aquí.

Utilice un tiempo de exposición de 300 milisegundos, lo que da como resultado un tiempo de escaneo de cinco a 10 minutos. Mida el tamaño de píxel asociado con las lentes ópticas al comienzo de cada posición de cambio de tiempo del haz y alinee la muestra en una etapa de rotación con respecto al sistema de detección para que permanezca en el campo de visión del detector mientras gira 180 grados. Coloque la muestra lo más cerca posible del detector mientras se asegura de que la muestra no golpee el detector en ningún ángulo de rotación.

Una vez alineado, realice un escaneo que consta de 1025 imágenes recopiladas en rotaciones de muestra entre cero y 180 grados. Se recopila automáticamente una serie de imágenes de campo claro y campo oscuro durante el escaneo. Recopile imágenes de campo claro moviendo la muestra fuera del campo de visión.

Además, recopile imágenes de campo oscuro tomando imágenes mientras el haz está apagado. Utilícelas para normalizar las imágenes de muestra para una iluminación homogénea, una respuesta posterior y una respuesta de la cámara CCD Aquí se muestran los resultados representativos del ciclo estático de Galvan para una celda simétrica de electrolitos de polímero metálico de litio con el fin de aplicar una corriente iónica de 0,175 miliamperios por centímetro cuadrado. Se requiere un voltaje de aproximadamente 0,07 voltios después del ciclo.

La imagen de la muestra se realiza mediante microtomografía de rayos X duros. El esquema que se muestra aquí ilustra cómo se coloca la muestra con respecto al incidente. Las imágenes del haz se recogen continuamente a medida que la muestra se gira 180 grados.

La imagen radiográfica que se muestra aquí es un ejemplo de una de las miles de imágenes tomadas de la muestra mientras se giraba. El brillo de los píxeles en la radiografía es proporcional a la cantidad de rayos X transmitidos a través de esa región de la muestra. La imagen que se muestra aquí es un corte de sección transversal a través del conjunto de datos reconstruido para la muestra mostrada anteriormente después de la reconstrucción.

Las características finas como la dendrita de metal de litio indicada en el lado izquierdo de la imagen son visibles. Se realiza una representación en 3D de esta dendrita de litio a partir de la pila de imágenes de rayos X reconstruidas. Los electrodos superior e inferior se hacen transparentes para permitir ver la morfología de la dendrita de litio que se muestra en naranja, perforando el electrolito del polímero que se muestra en azul claro después de su desarrollo.

Esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la ingeniería electroquímica exploraran la razón de la falla de la batería.