Failure Analysis delle batterie a base di sincrotrone Utilizzando raggi X duri microtomografia

L'obiettivo generale di questa procedura è visualizzare l'interno di un modello di batteria composto da due elettrodi di litio metallico separati da una membrana elettrolitica polimerica. Ciò si ottiene mediante la prima colata a solvente di un film elettrolitico polimerico. Il secondo passo consiste nell'assemblare i campioni inserendo un pezzo dell'elettrolita polimerico tra due elettrodi di litio metallico e sigillandoli sottovuoto in una busta ermetica.

Successivamente, i campioni vengono sottoposti a ciclo statico galvaro fino a quando non si guastano per cortocircuito o per il tempo desiderato. Il passaggio finale consiste nel ridurre le dimensioni del campione, rimuovere le linguette di nichel e quindi eseguire l'imaging mediante microtomografia a raggi X duri. In definitiva, l'imaging con microtomografia a raggi X viene utilizzato per mostrare cambiamenti morfologici come la crescita dei dendriti negli elettrodi di litio metallico e nell'elettrolita polimerico in funzione del ciclo.

Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti come la microscopia elettronica, è che le immagini risultanti mostrano l'interno dell'elettrodo e gli strati dell'elettrolita rivelando strutture nascoste utilizzando le tecniche di imaging tradizionali Prima di iniziare questa procedura, sintetizzare il polistirene, l'ossido di polietilene a blocchi, il copolimero o il SEO utilizzando la polimerizzazione onica come indicato nel protocollo di testo. Eseguire tutta la preparazione del campione in una scatola a guanti Argonne dove i livelli di acqua e ossigeno sono controllati e rimangono meno di cinque parti per milione di disciolte. 0,3 grammi di polimero in piro anidro e metile due o NMP con fluoro di litio secco, metano sulfonamide o sale L-I-T-F-S-I.

Utilizzare un rapporto di massa tra sale L-I-T-F-S-I di 0,275 e un rapporto di massa tra NMP e SEO di 13,13. Questa quantità di polimero produrrà una membrana abbastanza grande da produrre circa 20 campioni. Mangia la soluzione a 90 gradi Celsius su una piastra calda e lasciala mescolare fino a quando il polimero non si dissolve

Gettare tutta la miscela di polimero e sale su un pezzo quadrato di circa 15 x 15 centimetri di foglio di nichel. Usando una racla senza stringere. Coprire la pellicola con un foglio di alluminio e lasciarla asciugare sulla piastra di colata a 60 gradi Celsius durante la notte.

Dopo l'essiccazione, staccare la pellicola dalla lamina di nichel e lasciarla asciugare ulteriormente sotto vuoto a 90 gradi Celsius. Avvolgere la pellicola autoportante risultante in un foglio di nichel e conservarla all'interno di una scatola ermetica nella scatola a guanti per un uso successivo. Utilizzare un punzone metallico rotondo da sette 16 pollici di diametro per ritagliare due elettrodi di litio metallico da un rotolo di foglio di litio metallico puro al 99,9% per batterie.

Quindi, utilizzare un punzone metallico di mezzo pollice di diametro per ritagliare un pezzo di pellicola elettrolitica polimerica, inserire la pellicola elettrolitica polimerica tra i due elettrodi di litio metallico e premere le linguette di nichel sugli elettrodi. Sigillare sottovuoto il campione in una busta ermetica in polipropilene e alluminio rivestito in nylon. Uno degli elettrodi di litio è facilmente sostituibile con un catodo.

Se si desidera studiare una batteria completa per eseguire il ciclo simmetrico delle celle. Posizionare il campione sigillato sottovuoto in un forno a 90 gradi Celsius e ciclare utilizzando un'apparecchiatura per il ciclo elettrochimico. Riscaldare il campione durante il ciclo per ottenere una ragionevole conduttività ionica attraverso la membrana dell'elettrolita per sicurezza, assicurarsi che il campione non si avvicini al punto di fusione del litio metallico di 180 gradi Celsius.

Passare una densità di corrente di 0,175 milliampere per centimetro quadrato attraverso il campione per quattro ore e seguire con un riposo di 45 minuti. Successivamente, passare una densità di corrente di 0,175 milliampere per centimetro quadrato negativa attraverso il campione per quattro ore e seguire con un riposo di 45 minuti. Ripeti questa routine ciclistica tutte le volte che vuoi.

Dopo che la cella simmetrica è stata ciclata, riportarla nel vano portaoggetti e rimuoverla dalla sua custodia. Usa un punzone di metallo da un ottavo di pollice per ritagliare la parte centrale dell'aspirapolvere. Sigillare la parte centrale della cella in materiale di sacca e rimuoverla dalla scatola portaoggetti per il trasporto alla struttura di sincrotrone.

Una volta raggiunta la linea del fascio, utilizzare del nastro in poliammide per fissare il campione allo stadio del campione. Posizionare il pennarello metallico all'incirca al centro del campione per contrassegnare la posizione attorno alla quale il campione ruoterà. Una volta allineato, montare il campione sul tavolino rotante nella gabbia della linea di luce.

Per l'imaging, utilizzare raggi X da 20 kilo elettronvolt per visualizzare il campione con un tempo di esposizione ottimizzato per il sistema. Ottimizza il tempo di esposizione bilanciando il tempo di scansione e il numero di conteggi per immagine. Stimare il tempo di scansione totale moltiplicando il tempo di esposizione per il numero di immagini raccolte qui.

Utilizzare un tempo di esposizione di 300 millisecondi, con un tempo di scansione da cinque a 10 minuti. Misurare la dimensione dei pixel associati alle lenti ottiche all'inizio di ogni posizione di spostamento temporale del raggio e allineare il campione su uno stadio di rotazione rispetto al sistema di rilevamento in modo che rimanga nel campo visivo del rivelatore mentre ruota di 180 gradi. Posizionare il campione il più vicino possibile al rivelatore, assicurandosi che il campione non colpisca il rivelatore con un angolo di rotazione.

Una volta allineato, eseguire una scansione composta da 1025 immagini raccolte su rotazioni del campione comprese tra zero e 180 gradi. Durante la scansione viene raccolta automaticamente una serie di immagini in campo chiaro e in campo scuro. Raccogli immagini in campo chiaro spostando il campione fuori dal campo visivo.

Inoltre, raccogli immagini in campo scuro scattando immagini mentre il raggio è spento. Utilizzali per normalizzare le immagini campione per un'illuminazione omogenea e la risposta della telecamera CCD I risultati rappresentativi del ciclo statico Galvan per una cella simmetrica di elettroliti polimerici di litio metallico sono mostrati qui per applicare una corrente ionica di 0,175 milliampere per centimetro quadrato. Dopo il ciclo è necessaria una tensione di circa 0,07 volt.

Il campione viene ripreso mediante microtomografia a raggi X duri. Lo schema illustrato di seguito illustra il posizionamento del campione rispetto all'incidente. Le immagini del fascio vengono raccolte continuamente mentre il campione viene ruotato di 180 gradi.

L'immagine radiografica mostrata qui è un esempio di una delle migliaia di immagini scattate al campione mentre veniva ruotato. La luminosità dei pixel nella radiografia è proporzionale alla quantità di raggi X trasmessi attraverso quella regione del campione. L'immagine mostrata qui è una sezione trasversale del set di dati ricostruito per il campione mostrato in precedenza dopo la ricostruzione.

Sono visibili caratteristiche fini come il dendrite di litio metallico indicato sul lato sinistro dell'immagine. Un rendering 3D di questo dendrite di litio è stato realizzato a partire dalla pila di immagini a raggi X ricostruite. Gli elettrodi superiore e inferiore sono resi trasparenti per consentire di vedere la morfologia del dendrite di litio mostrato in arancione perforando l'elettrolita polimerico mostrato in azzurro Dopo il suo sviluppo.

Questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'ingegneria elettrochimica per esplorare il motivo del guasto della batteria.