Analyse de défaillance des piles Utilisation de base-Synchrotron microtomographie rayons X durs

L’objectif général de cette procédure est de visualiser l’intérieur d’un modèle de batterie composé de deux électrodes au lithium métal séparées par une membrane électrolytique polymère. Ceci est accompli en coulant d’abord un film électrolytique polymère. La deuxième étape consiste à assembler les échantillons en prenant en sandwich un morceau de l’électrolyte polymère entre deux électrodes de lithium métal et en les scellant sous vide dans un sachet hermétique.

Ensuite, les échantillons sont soumis à un cycle statique galvanique jusqu’à ce qu’ils tombent en panne par court-circuit ou aussi longtemps que souhaité. La dernière étape consiste à réduire la taille de l’échantillon, à retirer les languettes de nickel, puis à imager par microtomographie à rayons X. En fin de compte, l’imagerie par microtomographie à rayons X est utilisée pour montrer des changements morphologiques tels que la croissance des dendrites dans les électrodes de lithium métal et l’électrolyte polymère en fonction du cyclage.

Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes telles que la microscopie électronique est que les images résultantes montrent l’intérieur des couches d’électrodes et d’électrolytes, révélant des structures cachées à l’aide de techniques d’imagerie traditionnelles. Avant de commencer cette procédure, synthétisez du polystyrène, de l’oxyde de polyéthylène séquentiel, un copolymère ou un SEO en utilisant la polymérisation onique comme indiqué dans le protocole texte. Effectuez toute la préparation de l’échantillon dans une boîte à gants Argonne où les niveaux d’eau et d’oxygène sont contrôlés et restent inférieurs à cinq parties par million de dissolution. 0,3 gramme de polymère dans un sel anhydre et de méthyle deux pyro ou NMP avec du fluor de lithium sec, du sulfonamide de méthane ou du sel L-I-T-F-S-I.

Utilisez un rapport de masse sel/SEO L-I-T-F-S-I de 0,275 et un rapport de masse NMP / SEO de 13,13. Cette quantité de polymère donnera une membrane suffisamment grande pour faire environ 20 échantillons. Mangez la solution à 90 degrés Celsius sur une plaque chauffante et laissez-la remuer jusqu’à ce que le polymère se dissolve.

Coulez tout le mélange de polymère et de sel sur un morceau de papier d’aluminium d’environ 15 x 15 centimètres carrés. À l’aide d’une racle sans serrer. Couvrez le film de papier d’aluminium et laissez-le sécher sur la plaque de coulée à 60 degrés Celsius pendant la nuit.

Après séchage, décollez le film de la feuille de nickel et laissez-le sécher davantage sous vide à 90 degrés Celsius. Enveloppez le film autoportant obtenu dans une feuille de nickel et rangez-le dans une boîte hermétique dans la boîte à gants pour une utilisation ultérieure. Utilisez un poinçon métallique rond de 16 pouces de diamètre pour découper deux électrodes au lithium métal dans un rouleau de feuille de lithium métal pur à 99,9 % de qualité batterie.

Ensuite, utilisez un poinçon métallique d’un demi-pouce de diamètre pour découper un morceau de film électrolytique polymère, prenez en sandwich le film électrolyte polymère entre les deux électrodes au lithium métal et appuyez sur les languettes de nickel sur les électrodes. Scellez l’échantillon sous vide dans une pochette hermétique en polypropylène et aluminium doublé de nylon. L’une des électrodes au lithium est facilement remplacée par une cathode.

Si l’on veut étudier une batterie pleine pour effectuer un cycle de cellule symétrique. Placez l’échantillon scellé sous vide dans un four maintenu à 90 degrés Celsius et effectuez un cycle à l’aide d’un équipement de cyclage électrochimique. Chauffez l’échantillon pendant le cycle pour obtenir une conductivité ionique raisonnable à travers la membrane d’électrolyte pour plus de sécurité, assurez-vous que l’échantillon n’approche pas du point de fusion du lithium métal de 180 degrés Celsius.

Faites passer une densité de courant de 0,175 milliampères par centimètre carré à travers l’échantillon pendant quatre heures, puis laissez reposer pendant 45 minutes. Ensuite, faites passer une densité de courant de moins 0,175 milliampères par centimètre carré à travers l’échantillon pendant quatre heures, puis laissez reposer pendant 45 minutes. Répétez cette routine de cyclisme autant de fois que vous le souhaitez.

Une fois que la cellule symétrique est cyclée, ramenez-la dans la boîte à gants et retirez-la de sa poche. Utilisez un poinçon métallique d’un huitième de pouce pour découper la partie centrale de l’aspirateur de cellule. Scellez la partie centrale de la cellule dans un sac et retirez-la de la boîte à gants pour le transporter vers l’installation synchrotron.

Une fois à la ligne de faisceau, utilisez du ruban polyamide pour fixer l’échantillon à la platine de l’échantillon. Placez le marqueur métallique à peu près au centre de l’échantillon pour marquer l’endroit autour duquel l’échantillon tournera. Une fois aligné, montez l’échantillon sur la platine rotative dans le clapier de la ligne de faisceau.

Pour l’imagerie, utilisez des rayons X de 20 kilo-électronvolts pour imager l’échantillon avec un temps d’exposition optimisé pour le système. Optimisez le temps d’exposition en équilibrant le temps de numérisation et le nombre de comptages par image. Estimez le temps total de balayage en multipliant le temps d’exposition par le nombre d’images collectées ici.

Utilisez un temps d’exposition de 300 millisecondes, ce qui donne un temps de balayage de cinq à 10 minutes. Mesurez la taille de pixel associée aux lentilles optiques au début de chaque position de décalage temporel du faisceau et alignez l’échantillon sur un étage de rotation par rapport au système de détection afin qu’il reste dans le champ de vision du détecteur pendant qu’il tourne de 180 degrés. Positionnez l’échantillon aussi près que possible du détecteur tout en veillant à ce que l’échantillon ne heurte pas le détecteur à un angle de rotation.

Une fois aligné, effectuez un balayage composé de 1025 images collectées sur des rotations d’échantillons entre zéro et 180 degrés. Une série d’images en fond clair et en fond sombre est automatiquement collectée pendant le balayage. Collectez des images en fond clair en déplaçant l’échantillon hors du champ de vision.

De plus, collectez des images en fond noir en prenant des images pendant que le faisceau est éteint. Utilisez-les pour normaliser les images d’échantillon pour une réponse ultérieure dans un seuil d’éclairage homogène et une réponse de la caméra CCD Les résultats du cycle statique représentatif de Galvan pour une cellule symétrique d’électrolytes polymère de lithium métal sont présentés ici afin d’appliquer un courant ionique de 0,175 milliampères par centimètre carré. Une tension d’environ 0,07 volts est nécessaire après le cyclage.

L’échantillon est imagé à l’aide d’une microtomographie à rayons X durs. Le schéma illustré ici illustre le positionnement de l’échantillon par rapport à l’incident. Les images du faisceau sont collectées en continu lorsque l’échantillon est tourné à 180 degrés.

L’image radiographique montrée ici est un exemple de l’une des milliers d’images prises de l’échantillon lors de sa rotation. La luminosité des pixels de la radiographie est proportionnelle à la quantité de rayons X transmis à travers cette région de l’échantillon. L’image présentée ici est une coupe transversale de l’ensemble de données reconstruit pour l’échantillon montré précédemment après la reconstruction.

Des caractéristiques fines comme la dendrite de lithium métal indiquée sur le côté gauche de l’image sont visibles. Un rendu 3D de cette dendrite de lithium est réalisé à partir de la pile d’images radiographiques reconstruites. Les électrodes supérieure et inférieure sont rendues transparentes pour permettre de voir la morphologie de la dendrite de lithium montrée en orange perforant l’électrolyte polymère montré en bleu clair après son développement.

Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de l’ingénierie électrochimique pour explorer la raison de la défaillance des batteries.