ניתוח כישלון של סוללות שימוש Microtomography הקשיח רנטגן מבוסס Synchrotron

המטרה הכללית של הליך זה היא להדמיות של פנים סוללה מודלית המורכבת משתי אלקטרודות של ליתיום מתכתי המופרדות על ידי ממברנת אלקטרוליט פולימרית. דבר זה מושג תחילה על ידי יציקת ממס של סרט אלקטרוליט פולימרי. השלב השני הוא הרכבת הדגימות על ידי דחיסת חתיכה של האלקטרוליט הפולימרי בין שתי אלקטרודות של ליתיום מתכתי ואיטומן בוואקום בתוך שקית אטומה לאוויר.

לאחר מכן, הדגימות עוברות מחזורי טעינה ופריקה גלוונוסטטיים עד להתרחשות קצר חשמלי או למשך זמן רצוי. השלב הסופי הוא צמצום גודל הדגימה, הסרת לשוניות הניקל, ולאחר מכן ביצוע דימות באמצעות מיקרו-טומוגרפיה בקרני X קשות. בסופו של דבר, דימות במיקרו-טומוגרפיה בקרני X משמש להצגת שינויים מורפולוגיים, כגון צמיחת דנדריטים באלקטרודות מתכת הליתיום ובאלקטרוליט הפולימרי, כפונקציה של מספר המחזורים.

היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון מיקרוסקופיה אלקטרונית, הוא שהתמונות המתקבלות מציגות את פנים שכבות האלקטרודה והאלקטרולית, ובכך חושפות מבנים המוסתרים בשימוש בטכניקות דימוי מסורתיות. לפני תחילת הליך זה, סנתיזו polystyrene, block polyethylene oxide, copolymer או SEO באמצעות פולימריזציה אניונית כפי שמופיע בפרוטוקול הטקסט. בצעו את כל הכנת הדגימות בתוך תא כפפות (glove box) של Argonne, שבו רמות המים והחמצן נשלטות ונשמרות מתחת לחמישה חלקים למיליון (ppm). המיסו 0.3 גרם של פולימר ב-anhydrous NMP עם מלח dry lithium bis(trifluoromethane)sulfonimide או LiTFSI.

השתמש ביחס מסה של 0.275 עבור L-I-T-F-S-I salt ל-SEO ויחס מסה של 13.13 עבור NMP ל-SEO. כמות פולימר זו תניב ממברנה גדולה מספיק להכנת כ-20 דגימות. חמם את התמיסה ל-90 °C על פלטת חימום והשאר אותה בערבוב עד להמסת הפולימר.

שפכו את כל תערובת הפולימר והמלח על פיסת רדיד ניקל ריבועית בגודל של כ-15 על 15 סנטימטרים. השתמשו בלהב דוקטור (doctor blade) באופן רפוי. כסו את הסרט ברדיד אלומיניום והניחו לו להתייבש על לוח היציקה בטמפרטורה של 60 °C למשך הלילה.

לאחר הייבוש, קלפו את הקרום מרדיד הניקל והניחו לו להתייבש עוד יותר תחת ואקום בטמפרטורה של 90 degrees Celsius. עטפו את הקרום העומד באופן עצמאי שנוצר ברדיד ניקל ואחסנו אותו בתוך קופסה אטומה בתוך תא הכפפות (glove box) לשימוש מאוחר יותר. השתמשו במנקב מתכת עגול בקוטר seven 16th inch כדי לגזור שתי אלקטרודות של ליתיום מתכתי מגליל של רדיד ליתיום מתכתי בדרגת סוללה בטוהר של 99.9%pure.

לאחר מכן, השתמשו במנקב מתכת בעל קוטר של half inch כדי לגזור פיסה של קרום אלקטרוליט פולימרי, הניחו את קרום האלקטרוליט הפולימרי בין שתי אלקטרודות מתכת של ליתיום והדביקו את לשוניות הניקל על האלקטרודות. אטמו את הדגימה בוואקום בתוך שקית אטומה העשויה מפוליפרופילן ואלומיניום מצופה ניילון. ניתן להחליף בקלות את אחת מאלקטרודות הליתיום בקתודה.

אם ברצונך לחקור סוללה מלאה לביצוע מחזורי טעינה ופריקה של תא סימטרי, הנח את הדגימה האטומה בוואקום בתנור המוחזק ב-90 °C ובצע את המחזורים באמצעות ציוד למחזורי אלקטרוכימיה. חמם את הדגימה במהלך המחזורים כדי להשיג מוליכות יונית סבירה דרך ממברנת האלקטרוליט; למען הבטיחות, ודא שהדגימה אינה מתקרבת לנקודת ההמס של הליתיום המתכתי, שהיא 180 °C.

העבירו צפיפות זרם של 0.175 milliamps לסמ"ק דרך הדגימה למשך ארבע שעות, ולאחר מכן המתינו 45 דקות למנוחה. לאחר מכן, העבירו צפיפות זרם של 0.175- milliamps לסמ"ק דרך הדגימה למשך ארבע שעות, ואחריהן המתינו 45 דקות למנוחה. חזרו על מחזור זה מספר הפעמים הרצוי.

לאחר סבב הטענה ופריקה של התא הסימטרי, החזירו אותו לתא הכפפות והוציאו אותו מהנרתיק שלו. השתמשו במחץ מתכת בקוטר שמינית אינץ' כדי לגזור את החלק המרכזי של ואקום התא. אטמו את החלק המרכזי של התא בחומר נרתיק והוציאו אותו מתא הכפפות לצורך הובלה למתקן הסינכרוטרון.

עם ההגעה לקו הקרן, השתמשו בסרט פוליאמיד כדי להצמיד את הדגימה לבמה של הדגימה. מקמו את הסימון המתכתי בערך במרכז הדגימה כדי לסמן את המיקום שסביבו תסתובב הדגימה. לאחר היישור, הרכיבו את הדגימה על הבמה המסתובבת בתוך תא קו הקרן.

עבור הדימוי, השתמש בקרני רנטגן בעוצמה של 20 kilo electron volt כדי לדגם את המדגם עם זמן חשיפה שעבר אופטימיזציה למערכת. בצע אופטימיזציה לזמן החשיפה על ידי איזון בין זמן הסריקה למספר הספירות לכל תמונה. הערק את זמן הסריקה הכולל על ידי הכפלת זמן החשיפה במספר התמונות שנאספו כאן.

השתמש בזמן חשיפה של 300 milliseconds, מה שיוביל לזמן סריקה של חמש עד 10 דקות. מדוד את גודל הפיקסל המשויך לעדשות האופטיות בתחילת כל שינוי מיקום של הקרן, ויישר את הדגימה על במה מסתובבת ביחס למערכת הגילוי כך שתישאר בשדה הראייה של הגלאי בעת סיבובה ב-180 מעלות. מקם את הדגימה קרוב ככל האפשר לגלאי, תוך וידוא שהדגימה אינה פוגעת בגלאי באף זווית סיבוב.

לאחר היישור, בצעו סריקה המורכבת מ-1025 תמונות שנאספו במהלך סיבובים של הדגימה בין 0 ל-180 מעלות. במהלך הסריקה נאספת באופן אוטומטי סדרה של תמונות בשדה בהיר (bright field) ובשדה כהה (dark field). אספו תמונות בשדה בהיר על ידי הזזת הדגימה אל מחוץ לשדה הראייה.

בנוסף, אספו תמונות שדה אפל (dark field) על ידי צילום בעוד הקרן כבויה. השתמשו בתמונות אלו כדי לנרמל את תמונות הדגימה עבור תאורה לא הומוגנית וגם עבור תגובת מצלמת ה-CCD. תוצאות ייצוגיות של מחזורי גלוונוסטטית עבור תא סימטרית של אלקטרוליטים פולימריים ממתכת ליתיום מוצגות כאן, על מנת להחיל זרם יוני של 0.175 milliamps per square centimeter. מתח של כ-0.07 volts נדרש לאחר המחזור.

הדגימה מדומיינת באמצעות מיקרו-טומוגרפיה של קרני X קשות. הסכימה המוצגת כאן ממחישה כיצד הדגימה ממוקמת ביחס לקרן הפוגעת. תמונות של הקרן נאספות באופן רציף בעוד הדגימה מסובבת ב-180 מעלות.

תמונת הרדיוגרף המוצגת כאן היא דוגמה לאחת מאלפי התמונות שצולמו של הדגימה בזמן שסובבה. בהירות הפיקסלים ברדיוגרף פרופורציונלית לכמות קרני ה-x שעברו דרך אותו אזור בדגימה. התמונה המוצגת כאן היא פלח חתך רוחבי מתוך מערך הנתונים השחזור עבור הדגימה שהוצגה קודם לכן לאחר השחזור.

ניתן להבחין במאפיינים עדינים, כגון דנדריט של ליתיום מתכתי המסומן בצדו השמאלי של התמונה. רינדור תלת-ממדי של דנדריט ליתיום זה נוצר מערימה של תמונות רנטגן ששוחזרו. האלקטרודות העליונה והתחתונה הפכו לשקופות כדי לאפשר לראות את המורפולוגיה של דנדריט הליתיום המוצג בכתום חודר דרך האלקטרוליט הפולימרי המוצג בתכלת לאחר פיתוחו.

טכניקה זו סללה את הדרך עבור חוקרים בתחום ההנדסה האלקטרוכימית לחקור את הסיבה לכשלי סוללות.