Karakterisering van elektrode materialen voor lithium-ion en Natrium ion accu's met synchrotron straling Technieken

Het algemene doel van het volgende experiment is om structurele veranderingen in elektroden die cycli ondergaan in batterijen in realtime te bestuderen. Dit wordt bereikt door testcellen te assembleren die zodanig zijn aangepast dat elektrodeprocessen in de beamline van een synchrotronstralingsfaciliteit kunnen worden bestudeerd terwijl de apparaten worden opgeladen en ontladen. Als tweede stap worden er gegevens over de testcellen verzameld in de beamline als functie van de tijd en de werkomstandigheden.

Vervolgens worden de gegevens verwerkt en geanalyseerd om de structurele veranderingen te observeren die optreden als functie van de laadtoestand. Er worden resultaten verkregen die inzicht bieden in de werking van de elektroden, inclusief faseovergangen en degradatieprocessen op basis van verfijning van de diffractiegegevens en interpretatie. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande conventionele methoden, zoals röntgenpoederdiffractie, is dat de signaalsterkte veel hoger is en de acquisitietijd veel korter, wat een snelle gegevensverwerving mogelijk maakt.

Dit stelt ons in staat om apparaten in realtime te monitoren. In situ-methoden tijdens het laden en ontladen kunnen helpen bij het beantwoorden van kernvragen in het batterijonderzoek. De batterijprestaties, levensduur en veiligheid zijn allemaal afhankelijk van het behoud van de chemische en fysieke integriteit van de batterijcomponenten.

Synchrotron-röntgendiffractietechnieken stellen ons in staat om informatie te verkrijgen over structurele veranderingen, fase-overgangen en de vorming van onzuiverheden terwijl de batterijen in werking zijn. Deze kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor de prestaties. Ik ben een beamline-wetenschapper bij een synchrotronfaciliteit.

Ik werk samen met batterijwetenschappers bij het ontwerpen en bestuderen van experimenten en help bij de verzameling van gegevens, de analyse daarvan en de uiteindelijke interpretatie van de resultaten. Een visuele demonstratie van deze methode is nuttig, aangezien de details van de celassemblage cruciaal zijn voor het succes van het experiment. We willen ervoor zorgen dat het experiment representatief is voor batterijen op grotere schaal die in de echte wereld worden gebruikt.

De procedures zullen worden gedemonstreerd door doktoren Ang, Hong Yi en Mona. Zij zijn postdoctorale onderzoekers aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, samen met Lei Chang, een promovendus, en dr. Guang Chen, een wetenschapper aan het laboratorium. De eerste stap is het karakteriseren van het betreffende materiaal met behulp van röntgenpoederdiffractie.

Maak twee tot drie gram van een monster door het poeder te malen en te zeven om een uniforme deeltjesgrootteverdeling te garanderen. Voor dit experiment wordt nikkel, mangaan, kobalt of NMC gebruikt voor de beste plaatsing van het poeder.

Verwijder de achterplaat van de monsterhouder van het röntgendiffractometer. Plaats de monsterhouder tegen een glazen objectglas en vul de holte met het monsterpoeder. Bevestig de achterplaat opnieuw, draai de houder om en verwijder het objectglas.

Plaats nu de monsterhouder in de refractometer en richt deze correct uit. Sluit daarna de deuren van het instrument, stel de juiste parameters voor refractometrie in en start de scan. Zodra de gegevensverzameling is voltooid, wordt het patroon geanalyseerd om de aanwezigheid van onzuiverheden vast te stellen en te bepalen of het overeenkomt met dat van referentiematerialen of berekende patronen.

Zodra dit correct is voltooid, schakel de refractometer uit en verwijder het monster. De morfologie van de deeltjes wordt bepaald met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). Bereid het monster voor op SEM door koolstoftape op een aluminium stub te bevestigen.

Strooi vervolgens poeder op de kleverige zijde. Controleer of het geheel niet-magnetisch is door een keukenmagneet boven het monster te houden. Plaats daarna het monster via de luchtsluis in de SEM-kamer en start de evacuatie.

Zodra het vacuüm is gevestigd, schakelt u de versnellingsspanning in. Werk in de modus voor lage vergroting en gebruik de automatische contrast- en helderheidsknop om het beeld aan te passen. Zoek een gebied van belang door handmatig in de X- en Y-richting te scannen.

Nadat er een gebied is gevonden, kiest u de SEM-modus. Selecteer de detector. Stel vervolgens de benodigde werkafstand in, gevolgd door het contrast en de helderheid.

Stel de afbeelding scherp met de Z-bediening. Lijn de bundel uit en corrigeer het astigmatisme en de focus. Maak met de X- en Y-bediening de gewenste opnames en sla deze op.

Wanneer u klaar bent, schakelt u de SEM uit en verwijdert u het monster via de luchtsluis. De fabricage begint met het maken van een oplossing van vijf tot zes gewichtsprocent polyvinylideenfluoride. Meng vervolgens 240 milligram NMC, het actieve materiaal, en 30 milligram acetylene black, een geleidend additief. Maal dit mengsel gedurende twee uur bij 300 RPM.

Zodra het malen is voltooid, neem dan 180 mg van het gemalen mengsel en voeg 0,4 ml van de NMP-oplossing toe. Bereid vervolgens een doctor blade voor met het materiaal voor de stroomcollector, in dit geval met koolstof gecoate aluminiumfolie. Gebruik het doctor blade om de elektrodes slurry op de stroomcollector aan te brengen.

Verwijder de elektroden en start het droogproces. In deze video wordt een warmtelamp gebruikt voor het drogen.

Zo zien de elektroden eruit. Dit is hun uiterlijk na ongeveer 30 minuten onder de warmtelamp. Snijd of pons ze op dit punt op de maat die nodig is voor gebruik in een knoopcel.

Weeg elke elektrode. Verplaats de elektroden naar een glovebox met inerte atmosfeer voorzien van een verwarmde vacuümsluis. Gebruik de sluis om een extra droogstap van 12 uur uit te voeren om alle resterende vochtigheid te verwijderen.

De elektroden zijn nu klaar voor gebruik in een knoopcel. Snijd het lithiumfolie en de microporeuze separator op de gewenste maat. Verzamel alle benodigde componenten in de binnenatmosfeer.

Handschoenenkast voor assemblage in een knoopcel. Plaats nu de componenten in lagen in de cel. Plaats eerst de elektrode, gevolgd door het separator, de elektrolytoplossing en vervolgens de folie; sluit de cel af met een knoopcelpers voor een NC twee röntgendiffractie-experiment.

Bevestig tabbladen aan weerszijden van de cel. Sluit het apparaat vervolgens af in een polyester zakje voor dit deel van het experiment. Reserveer bundeltijd bij een synchrotronfaciliteit.

Transporteer het monster veilig naar de locatie en bereid het experiment voor. Begin met het kalibreren van de bundel om de juiste bundelomstandigheden te bepalen. Meet vervolgens een referentiepatroon van lanthanumheide.

Keer terug naar het toegangspunt van de beamline. Ga verder met het NC two röntgendiffractie-experiment door het zakje met de cel in aluminium drukplaten te plaatsen. Zorg ervoor dat de gaten correct zijn uitgelijnd zodat de röntgenstraal kan passeren. Sluit de leidingen van de potentiaalstat aan op het apparaat bij de bedieningseenheid.

Bepaal de optimale straal en belichtingstijd voordat de elektrochemie wordt gestart. Maak een initiële opname en start het elektrochemische experiment. Verzamel gegevens en volg het experiment.

Deze in situ röntgendiffractiegegevens werden verkregen van een cel die een lithiumanode en een metaaloxidekathode bevatte. De kathode behoorde tot een familie van elektrodematerialen die bekendstaan als NMC's voor nikkel, mangaan en kobalt. Na kalibratie en conversie van het ringpatroon naar lijnscans onderging de cel een oplading, weergegeven door de zwarte sporen, en een ontlading, weergegeven in het groen.

Elke scan representeert de laadtoestand van het systeem op een bepaald moment. Bij een constante stroom zijn de in het blauw aangegeven pieken te wijten aan de aluminium stroomcollector. De rode pieken worden veroorzaakt door de polymeer pouch en de separator in het straalpad.

Het lithium in de cel is in essentie transparant voor röntgenstralen. Indexreflecties die kunnen worden toegeschreven aan het actieve materiaal van de cel zijn gemarkeerd, omdat de parameters van de eenheidscel veranderden als functie van het lithiumgehalte. Sommige pieken als gevolg van deze fase overlapten met die van de aluminiumstroomcollector.

Bij sommige patronen kan een instituutexperiment, zodra dit onder de knie is, in 10 tot 20 uur bij de beamline worden uitgevoerd door deze procedure te volgen. Andere methoden, zoals röntgenabsorptiespectroscopie, kunnen worden toegepast om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals hoe de structuur van het materiaal en de redoxtoestanden van de overgangsmetalen veranderen als functie van de laadtoestand. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u een knoopcel assembleert voor onderzoek in een synchrotron-beamline en hoe u röntgendiffractiepatronen verkrijgt terwijl de cel wordt opgeladen en ontladen.