Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Ogólnym celem tej procedury jest wizualizacja wnętrza modelowej baterii składającej się z dwóch elektrod litowo-metalowych oddzielonych polimerową membraną elektrolitową. Osiąga się to poprzez pierwsze odlanie rozpuszczalnikiem folii elektrolitu polimerowego. Drugim krokiem jest złożenie próbek poprzez umieszczenie kawałka elektrolitu polimerowego między dwiema elektrodami litowo-metalowymi i zamknięcie próżniowe w hermetycznej torebce.

Następnie próbki są poddawane statycznym cyklom galwanicznym, aż ulegną uszkodzeniu w wyniku zwarcia lub tak długo, jak jest to pożądane. Ostatnim krokiem jest zmniejszenie wielkości próbki, usunięcie zakładek niklowych, a następnie zobrazowanie za pomocą twardej mikrotomografii rentgenowskiej. Ostatecznie obrazowanie mikrotomografii rentgenowskiej służy do pokazania zmian morfologicznych, takich jak wzrost dendrytów w elektrodach litowo-metalowych i elektrolitu polimerowego w funkcji cyklu.

Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami, takimi jak mikroskopia elektronowa, jest to, że uzyskane obrazy pokazują wnętrze warstw elektrody i elektrolitu, odsłaniając struktury, które są ukryte przy użyciu tradycyjnych technik obrazowania Przed rozpoczęciem tej procedury zsyntetyzuj polistyren, blokowy tlenek polietylenu, kopolimer lub SEO za pomocą polimeryzacji onowej, jak określono w protokole tekstowym. Przygotowanie próbki należy przeprowadzić w komorze rękawicowej Argonne, w której poziom wody i tlenu jest kontrolowany i pozostaje mniejszy niż pięć części na milion. 0,3 grama polimeru w bezwodnym i metylo-dwuowym pirotechnice lub NMP z suchym litem brif fluoro, metanosulfonamidem lub solą L-I-T-F-S-I.

Użyj stosunku masy soli do SEO L-I-T-F-S-I wynoszącego 0,275 i stosunku masy NMP do SEO wynoszącego 13,13. Taka ilość polimeru pozwoli uzyskać membranę wystarczająco dużą, aby przygotować około 20 próbek. Zjedz roztwór do 90 stopni Celsjusza na gorącym talerzu i pozwól mu mieszać, aż polimer się rozpuści.

Odlej całą mieszaninę polimeru i soli na kawałek folii niklowej o wymiarach około 15 na 15 centymetrów kwadratowych. Luźne używanie rakla. Przykryj folię folią aluminiową i pozostaw do wyschnięcia na płycie odlewniczej w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez noc.

Po wysuszeniu oderwij folię od folii niklowej i pozostaw do dalszego wyschnięcia w próżni w temperaturze 90 stopni Celsjusza. Owiń powstałą wolnostojącą folię folią niklową i przechowuj ją w hermetycznym pudełku w schowku na rękawiczki do późniejszego wykorzystania. Użyj okrągłego metalowego dziurkacza o średnicy siedmiu 16 cali, aby wyciąć dwie elektrody litowo-metalowe z rolki 99,9% czystej folii litowej o jakości akumulatorowej.

Następnie użyj metalowego dziurkacza o średnicy pół cala, aby wyciąć kawałek folii z elektrolitu polimerowego, umieść folię elektrolitu polimerowego między dwiema elektrodami litowo-metalowymi i dociśnij niklowe wypustki do elektrod. Próbkę należy zapakować próżniowo w hermetyczną torebkę wykonaną z aluminium wyłożonego polipropylenem i nylonem. Jedną z elektrod litowych można łatwo zamienić na katodę.

Jeśli ktoś chce przestudiować pełną baterię, aby wykonać symetryczny cykl komórek. Umieść zapieczętowaną próżniowo próbkę w piecu utrzymywanym w temperaturze 90 stopni Celsjusza i poddaj cyklowi za pomocą elektrochemicznego sprzętu do cykli. Podgrzej próbkę podczas cyklu, aby uzyskać rozsądną przewodność jonową przez membranę elektrolitu dla bezpieczeństwa, upewnij się, że próbka nie zbliża się do temperatury topnienia litu metalicznego wynoszącej 180 stopni Celsjusza.

Przepuszczaj przez próbkę prąd o gęstości 0,175 miliampera na centymetr kwadratowy przez cztery godziny, a następnie wykonaj 45-minutowy odpoczynek. Następnie przepuść przez próbkę gęstość prądu ujemną 0,175 miliampera na centymetr kwadratowy przez cztery godziny, a następnie wykonaj 45-minutowy odpoczynek. Powtórz tę rutynę rowerową tyle razy, ile chcesz.

Po cyklicznym przełączeniu symetrycznej kuwety należy ją włożyć z powrotem do schowka na rękawiczki i wyjąć z torebki. Użyj metalowego stempla o średnicy jednej ósmej cala, aby wyciąć środkową część próżni komórkowej. Uszczelnij środkową część ogniwa materiałem torebki i wyjmij ją ze schowka w celu transportu do obiektu synchrotronowego.

Po dotarciu do linii belki użyj taśmy poliamidowej, aby przymocować próbkę do stolika na próbkę. Umieść metalowy marker mniej więcej na środku próbki, aby zaznaczyć miejsce, wokół którego próbka będzie się obracać. Po wyrównaniu zamontuj próbkę na obrotowym stoliku w klatce linii badawczej.

Do obrazowania użyj promieni rentgenowskich o mocy 20 kiloelektronowoltów, aby zobrazować próbkę z czasem ekspozycji zoptymalizowanym dla systemu. Zoptymalizuj czas ekspozycji, równoważąc czas skanowania i liczbę zliczeń na obraz. Oszacuj całkowity czas skanowania, mnożąc czas naświetlania przez liczbę zebranych tutaj obrazów.

Użyj czasu naświetlania wynoszącego 300 milisekund, co daje czas skanowania od pięciu do 10 minut. Zmierz rozmiar piksela związany z soczewkami optycznymi na początku każdej pozycji przesunięcia czasowego wiązki i ustaw próbkę na stoliku rotacyjnym w stosunku do systemu detekcji tak, aby pozostała w polu widzenia detektora, gdy obraca się o 180 stopni. Umieść próbkę jak najbliżej detektora, upewniając się, że próbka nie uderza w detektor pod żadnym kątem obrotu.

Po wyrównaniu wykonaj skanowanie składające się z 1025 obrazów zebranych podczas obrotu próbki w zakresie od zera do 180 stopni. Podczas skanowania automatycznie zbierana jest seria obrazów w jasnym i ciemnym polu. Zbieraj obrazy w jasnym polu, przesuwając próbkę poza pole widzenia.

Dodatkowo zbieraj obrazy ciemnego pola, robiąc zdjęcia, gdy wiązka jest wyłączona. Użyj ich, aby znormalizować przykładowe obrazy dla późniejszej odpowiedzi na parapet w jednorodnym oświetleniu i odpowiedzi kamery CCD Reprezentatywne wyniki cykli statycznych Galvana dla symetrycznego ogniwa litowo-metalowo-polimerowego są pokazane tutaj w celu zastosowania prądu jonowego 0,175 miliampera na centymetr kwadratowy. Po przejechaniu na rowerze wymagane jest napięcie około 0,07 V.

Próbka jest obrazowana za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej twardego. Pokazany tutaj schemat ilustruje, w jaki sposób próbka jest ustawiona w odniesieniu do zdarzenia. Obrazy wiązki są zbierane w sposób ciągły, gdy próbka jest obracana o 180 stopni.

Pokazany tutaj obraz rentgenowski jest przykładem jednego z tysięcy zdjęć wykonanych próbki podczas jej obracania. Jasność pikseli na zdjęciu rentgenowskim jest proporcjonalna do ilości promieni rentgenowskich przepuszczanych przez ten obszar próbki. Pokazany tutaj obraz jest przekrojem poprzecznym przez zrekonstruowany zestaw danych dla próbki pokazanej wcześniej po rekonstrukcji.

Widoczne są drobne elementy, takie jak dendryt litowo-metaliczny wskazany po lewej stronie obrazu. Renderowanie 3D tego dendrytu litowego jest wykonane ze stosu zrekonstruowanych obrazów rentgenowskich. Górna i dolna elektroda są przezroczyste, aby można było zobaczyć morfologię dendrytu litowego pokazanego na pomarańczowo, przebijającego elektrolit polimerowy pokazany na jasnoniebiesko Po jego opracowaniu.

Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się inżynierią elektrochemiczną do zbadania przyczyny awarii baterii.