Failure Analysis Batterijen met synchrotron gebaseerde Hard X-ray Microtomografie

Het algemene doel van deze procedure is om het interieur van een modelbatterij samengesteld uit twee lithiummetaalelektroden gescheiden door een polymeerelektrolytmembran te visualiseren. Dit wordt bereikt door eerst een polymeerelektrolytfilm te gieten met een oplosmiddel. De tweede stap is het samenstellen van de monsters door een stuk van het polymeerelektrolyt tussen twee lithiummetaalelektroden te plaatsen en in een luchtdichte zak vacuüm te verzegelen.

Vervolgens worden de monsters galvanisch statisch gecycled tot ze falen door kortsluiting of zolang als gewenst. De laatste stap is om de monstergrootte te verkleinen, de nikkeltabbladen te verwijderen en vervolgens te beeldvormen door middel van harde röntgenmicrotomografie. Uiteindelijk wordt röntgenmicrotomografie beeldvorming gebruikt om morfologische veranderingen zoals dendrietgroei in de lithiummetaalelektroden en polymeerelektrolyt weer te geven als functie van het aantal cycli.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals elektronenmicroscopie, is dat de resulterende beelden het interieur van de elektrode en elektrolytlagen tonen en structuren onthullen die verborgen zijn met behulp van traditionele beeldvormingstechnieken Voordat u met deze procedure begint, synthetiseert u polystyreen, blokpolyethyleenoxide, copolymeer of SEO met behulp van onische polymerisatie zoals vermeld in het tekstprotocol. Voer alle monstervoorbereiding uit in een Argonne handschoenenkast waar de water- en zuurstofniveaus worden gecontroleerd en minder dan vijf delen per miljoen blijven oplossen. 0,3 gram polymeer in watervrij en methyl twee pyro of NMP met droog lithium brif fluoro, methaan sulfonamide of L-I-T-F-S-I zout.

Gebruik een L-I-T-F-S-I zout tot SEO massa-verhouding van 0,275 en een NMP tot SEO massa-verhouding van 13,13. Deze hoeveelheid polymeer levert een membraan op dat groot genoeg is om ongeveer 20 monsters te maken. Verhit de oplossing tot 90 graden Celsius op een hotplate en laat het roeren tot het polymeer is opgelost.

Giet alle polymere en zoutmengsel op een ongeveer 15 bij 15 centimeter vierkante stuk nikkelfolie. Gebruik een doctor blade losjes. Bedek de film met aluminiumfolie en laat deze overnacht op 60 graden Celsius drogen op de gietplaat.

Na het drogen, pelt de film van de nikkelfolie en laat deze verder drogen onder vacuüm bij 90 graden Celsius. Wikkel de resulterende vrijstaande film in nikkelfolie en bewaar deze in een luchtdichte doos in de handschoenenkast voor later gebruik. Gebruik een zeven zestiende duim diameter ronde metalen pons om twee lithiummetaalelektroden uit een rol van 99,9% zuivere batterijkwaliteit lithiummetaalfolie te snijden.

Gebruik vervolgens een halve inch diameter metalen pons om een ​​stuk polymeerelektrolytfilm te snijden, plaats het polymeerelektrolytfilm tussen de twee lithiummetaalelektroden en druk de nikkeltabbladen op de elektroden. Vacuum verzegeld het monster in een luchtdichte zak gemaakt van polypropyleen en nylon bekleed aluminium. Een van de lithiumelektroden kan eenvoudig worden verwisseld met een kathode.

Als men een volledige batterij wil bestuderen om symmetrische celcycli uit te voeren. Plaats het vacuüm verzegeld monster in een oven gehouden op 90 graden Celsius en cycle met behulp van elektrochemische cyclingapparatuur. Verhit het monster tijdens het cyclen om een ​​redelijke ionische geleidbaarheid door het elektrolytmembraan te bereiken voor veiligheid, zorg ervoor dat het monster de lithiummetaal smeltpunt van 180 graden Celsius niet nadert.

Laat een stroomdichtheid van 0,175 milliampère per vierkante centimeter gedurende vier uur door het monster lopen en volg met een rust van 45 minuten. Laat vervolgens een stroomdichtheid van negatief 0,175 milliampère per vierkante centimeter gedurende vier uur door het monster lopen en volg met een rust van 45 minuten. Herhaal deze cyclusroutine zo vaak als gewenst.

Nadat de symmetrische cel is gecycled, brengt u deze terug in de handschoenenkast en verwijdert u deze uit de zak. Gebruik een een achtende inch metalen pons om het middengedeelte van de celvacuüm te snijden. Verzegeld het middelste gedeelte van de cel in zakmateriaal en verwijder deze uit de handschoenenkast voor transport naar de synchrotronfaciliteit.

Eenmaal op de straallijn, gebruikt u polyamidetape om het monster op de monsterfase te bevestigen. Plaats de metalen marker ongeveer in het midden van het monster om de locatie te markeren rond welke het monster zal draaien. Eenmaal uitgelijnd, monteert u het monster op de roterende fase in de beamline hutch.

Voor beeldvorming, gebruikt u 20 kilo-elektron volt röntgenstralen om het monster te beeldvormen met een belichtingstijd geoptimaliseerd voor het systeem. Optimaliseer de belichtingstijd door de scantijd en het aantal tellen per beeld in evenwicht te brengen. Schat de totale scantijd door de belichtingstijd te vermenigvuldigen met het aantal beelden dat hier is verzameld.

Gebruik een belichtingstijd van 300 milliseconden, wat resulteert in een scantijd van vijf tot 10 minuten. Meet de pixelgrootte geassocieerd met de optische lenzen aan het begin van elke verplaatsing van de straaltijd en lijn het monster uit op een draaitafel ten opzichte van het detectiesysteem zodat het in het gezichtsveld van de detector blijft terwijl het 180 graden draait. Plaats het monster zo dicht mogelijk bij de detector terwijl u ervoor zorgt dat het monster de detector niet raakt bij een willekeurige rotatiehoek.

Eenmaal uitgelijnd, voert u een scan uit die bestaat uit 1025 beelden verzameld over monsterrotaties tussen nul en 180 graden. Een reeks heldere veld- en donkere veldbeelden wordt automatisch verzameld tijdens de scan. Verzamel heldere veldbeelden door het monster uit het gezichtsveld te bewegen.

Verzamel bovendien donkere veldbeelden door foto's te maken terwijl de straal uit staat. Gebruik deze om de monsterbeelden te normaliseren voor in homogene verlichting sill later respons en CCD-camerarespons Representatieve galvanische statische cyclusresultaten voor een symmetrische lithiummetaalpolymeerelektrolytcel worden hier getoond om een ​​ionische stroom van 0,175 milliampère per vierkante centimeter toe te passen