Name: Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-26T16:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 11 s
Description: Poznaj metodę synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej do wizualizacji wzrostu dendrytów w elektrodach litowych. Technika ta pozwala badać zmiany morfologiczne wewnątrz baterii podczas cyklowania.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Główne fundusze na pracę zostały zapewnione przez Program Mikroskopii Elektronowej Miękkiej Materii z Biura Nauki, Biura Podstawowych Nauk o Energii, Wydziału Nauk Materiałowych i Inżynierii Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie Kontraktu Nr. DE-AC02-05CH11231. Część projektu dotycząca montażu akumulatorów była wspierana przez program BATT z programu Vehicle Technologies, za pośrednictwem Biura Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej w ramach umowy U.S. DOE DE-AC02-05CH11231. Eksperymenty z mikrotomografią rentgenowską przeprowadzono w Advanced Light Source, które jest wspierane przez Dyrektora Biura Nauki, Biura Podstawowych Nauk o Energii Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w ramach umowy nr 1. DE-AC02-05CH11231. Katherine J. Harry była wspierana przez National Science Foundation Graduate Research Fellowship.

1. Przygotowanie elektrolitu
<ol>
	<li>Zsyntetyzować 240 kg / mol - 260 kg / mol poli(styren) - blok - kopolimer poli(tlenku etylenu) (SEO) za pomocą polimeryzacji anionowej.
	<ol>
		<li>Wszelkie dodatkowe próbki należy przygotować w komorze rękawicowej z argonem, w której poziom wody i tlenu jest kontrolowany i utrzymuje się na poziomie <5 ppm.</li>
		<li>Rozpuścić 0,3 g polimeru w bezwodnym N-metylo-2-pirolidonie (NMP) w suchej soli bis(trifluorometanu)sulfonimidu litu (LiTFSI). Użyj stosunku masy soli LiTFSI do SEO wynoszącego 0,275 i stosunku masy NMP do SEO wynoszącego 13,13, 
		Uwaga: Taka ilość polimeru da membranę wystarczająco dużą, aby uzyskać około 20 próbek.</li>
		<li>Odlej całą mieszaninę polimerów i soli przygotowaną w powyższych krokach na kwadratowy kawałek folii niklowej o wymiarach około 15 cm na 15 cm za pomocą rakla. Wysuszyć powstały film w temperaturze 60 °C O/N.</li>
		<li>Po wysuszeniu oderwij folię od folii niklowej i pozostaw do dalszego wyschnięcia w próżni w temperaturze 90 °C.</li>
		<li>Owiń powstałą wolnostojącą folię folią niklową i przechowuj w hermetycznym pudełku w schowku podręcznym do późniejszego wykorzystania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Lit – Przygotowanie ogniw litowych symetrycznych
<ol>
	<li>Użyj okrągłego metalowego stempla o średnicy 7/16, aby wyciąć dwie elektrody litowo-metalowe z rolki 99,9% czystej folii litowo-metalowej o czystości i jakości akumulatorowej.</li>
	<li>Użyj metalowego dziurkacza o średnicy 1/2 cala, aby wyciąć kawałek folii z elektrolitu polimerowego. 
	Uwaga: Lit metaliczny jest bardziej miękki i łatwiejszy do przebicia niż elektrolit polimerowy.</li>
	<li>Umieść folię elektrolitu polimerowego między dwiema elektrodami litowo-metalowymi i dociśnij niklowe wypustki do elektrod.</li>
	<li>Próżniowo zamknij próbkę w hermetycznej torebce wykonanej z aluminium wyłożonego polipropylenem i nylonem. 
	Uwaga: Jedną z elektrod litowych można łatwo zamienić na katodę, jeśli chce się zbadać pełną baterię.</li>
</ol>
3. Symetryczny cykl komórek
<ol>
	<li>Umieszczoną próżniowo próbkę umieścić w piecu o temperaturze 90 °C i poddać cyklowi za pomocą elektrochemicznego sprzętu do cykli. Podgrzej próbkę podczas cyklu, aby uzyskać rozsądną przewodność jonową przez membranę elektrolitu. Ze względów bezpieczeństwa należy upewnić się, że próbka nie zbliża się do temperatury topnienia litu metalicznego wynoszącej 180 °C.</li>
	<li>Przepuszczać prąd o gęstości 0,175 mA/cm2 przez próbkę przez 4 godziny, a następnie przez 45 minut odpoczynku. Następnie przepuść prąd o gęstości -0,175 mA/cm2 przez próbkę przez 4 godziny, a następnie wykonaj 45-minutową przerwę. Powtórz tę rutynę rowerową tyle razy, ile chcesz.</li>
	<li>Obserwuj odpowiedź napięciową dla tej gęstości prądu przechodzącego przez elektrolit SEO o grubości 30 μm i porównaj z pokazaną na rysunku 1. Przerwij rutynę cykliczną, gdy napięcie ogniwa spadnie do 0,00 V, ponieważ bateria uległa awarii w wyniku zwarcia wskazującego na wzrost dendrytów litu.</li>
</ol>
4. Synchrotronowa mikrotomografia rentgenowska
<ol>
	<li>Po cyklicznym przełączeniu symetrycznej kuwety należy ją włożyć z powrotem do schowka na rękawiczki i wyjąć z torebki.</li>
	<li>Użyj metalowego dziurkacza 1/8 cala, aby wyciąć środkową część komórki. Uszczelnij próżniowo środkową część ogniwa w materiale torebki i wyjmij z komory podręcznej w celu transportu do obiektu synchrotronowego. 
	Uwaga: Obrazowanie próbki o zmniejszonej średnicy powoduje zmniejszenie ilości materiału znajdującego się poza polem widzenia detektora rentgenowskiego. Poprawia to ogólną jakość obrazu poprzez redukcję szumów powodowanych przez ten dodatkowy materiał. Co więcej, w przypadku tej konkretnej konstrukcji torebki konieczne jest usunięcie wysoce pochłaniających promieniowanie rentgenowskie kolektorów prądu niklowego, aby uzyskać wyraźne obrazy rentgenowskie.</li>
	<li>Po dotarciu na linię badawczą użyj taśmy poliimidowej, aby przymocować próbkę do stolika na próbkę. W razie potrzeby przyklej mały metalowy marker na próbce, aby pomóc w wyrównaniu. Umieść metalowy marker mniej więcej na środku próbki, aby zaznaczyć miejsce, wokół którego próbka będzie się obracać po wyrównaniu.</li>
	<li>Użyj promieni rentgenowskich 20 keV, aby zobrazować próbkę z czasem naświetlania zoptymalizowanym dla systemu. Zoptymalizuj czas ekspozycji, równoważąc czas skanowania i liczbę zliczeń na obraz. Oszacuj całkowity czas skanowania, mnożąc czas naświetlania przez liczbę zebranych obrazów.
	<ol>
		<li>W tym przypadku użyj czasu naświetlania 300 ms, co daje czas skanowania od 5 do 10 minut.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zmierz rozmiar piksela związany z soczewkami optycznymi na początku każdego przesunięcia w czasie wiązki. 
	Uwaga: W przypadku obiektywu 4x użytego do wykonania zdjęcia pokazanego na rysunku 2 rozmiar piksela wynosił 1,61 μm/piksel. Dostępne są również obiektywy o większym powiększeniu (10x i 20x).</li>
	<li>Ustawić i wyrównać próbkę na stoliku rotacyjnym w stosunku do systemu detekcji tak, aby pozostawała w polu widzenia detektora, gdy obraca się o 180°.</li>
	<li>Umieść próbkę jak najbliżej detektora, upewniając się, że próbka nie uderza w detektor pod żadnym kątem obrotu. 
	Uwaga: Wraz ze wzrostem odległości od próbki do detektora, kontrast fazowy Fresnela stanie się bardziej wyraźny na zrekonstruowanych obrazach. Może to zasłaniać funkcje i skutkować gorszą rozdzielczością. W przypadku ogniw w woreczku odległość próbki od detektora wynosi zwykle około 3 cm od detektora.</li>
	<li>Po wyrównaniu wykonaj skanowanie składające się z 1 025 obrazów zebranych w obrotach próbki w zakresie od 0 do 180°. Zbieraj obrazy "jasnego pola" (nazywane również "płaskim polem" lub "tłem"), przesuwając próbkę poza pole widzenia. Dodatkowo zbieraj obrazy "ciemnego pola", robiąc zdjęcia, gdy wiązka jest wyłączona. Użyj ich, aby znormalizować przykładowe obrazy dla niejednorodnego oświetlenia, odpowiedzi scyntylatora i reakcji kamery CCD.</li>
</ol>
5. Rekonstrukcja obrazu
<ol>
	<li>Tomograficznie zrekonstruuj zestaw 1025 zdjęć rentgenowskich w stos obrazów, z których każdy reprezentuje wycinek w objętości, korzystając z następującej procedury.
	<ol>
		<li>Po pierwsze, znormalizuj obrazy, odejmując obrazy "ciemnego pola" zarówno od obrazów rentgenowskich, jak i obrazów "jasnego pola". Wynikowe obrazy radiograficzne należy podzielić przez otrzymane obrazy "jasnego pola".</li>
		<li>Następnie należy wykonać rekonstrukcję tomograficzną, czyli proces, w którym seria kątów projekcji jest przekształcana w obraz 3D, na znormalizowanych obrazach radiograficznych zgodnie z protokołem producenta. 
		Uwaga: Oprogramowanie do rekonstrukcji generuje serię obrazów, z których każdy reprezentuje poziomy przekrój próbki. Po ułożeniu w stos, ten zestaw zrekonstruowanych obrazów tworzy trójwymiarową mapę absorpcji promieniowania rentgenowskiego próbki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wizualizuj poszczególne wycinki lub próbkę w trzech wymiarach, aby zobaczyć, jak próbka wygląda w środku.</li>
</ol>
6. Wizualizacja i przetwarzanie danych
<ol>
	<li>Skorzystaj z jednego z wielu komercyjnych i otwartych pakietów oprogramowania do przetwarzania obrazów dostępnych do wizualizacji i analizy danych. 22, 23</li>
	<li>Po otwarciu stosu zrekonstruowanych obrazów za pomocą żądanego oprogramowania utwórz ortoplasterki, aby pokazać perspektywy xy, xz i yz zrekonstruowanych danych.</li>
	<li>Przesuwaj te obrazy i szukaj interesujących cech, takich jak dendryt litowy pokazany na rysunku 2.</li>
	<li>Następnie użyj narzędzi do segmentacji (etykietowania cyfrowego) i renderowania 3D, aby renderować interesującą Cię funkcję w trzech wymiarach.</li>
	<li>Aby cyfrowo podzielić obraz na segmenty, utwórz pole etykiety i użyj narzędzi do określania progów, aby wybrać obszary próbki odpowiadające materiałowi.</li>
	<li>Aby odtworzyć obraz podobny do pokazanego na rysunku 2B, oznacz ciemne piksele litem, a jasne piksele elektrolitem. Oznacz lit zawarty w dendrycie oddzielnie od górnej i dolnej elektrody litowej.
	<ol>
		<li>Lit dendrytyczny jest renderowany na pomarańczowo, a elektrolit polimerowy na niebiesko. Renderuj górną i dolną elektrodę litowo-metalową w kolorze szarym i dostosuj wartość przezroczystości, aby odsłonić pomarańczowy lit dendrytyczny. Obróć tę trójwymiarową rekonstrukcję, aby zobaczyć konstrukcję z wielu perspektyw.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Bruce, P. G., Freunberger, S. A., Hardwick, L. J., Tarascon, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Li-O-2+and+Li-S+batteries+with+high+energy+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">Li-O-2 and Li-S batteries with high energy storage.</a> Nat Mater. 11, 19-29 (2012).</li>
<li>Balsara, N. P., Newman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparing+the+Energy+Content+of+Batteries%2C+Fuels%2C+and+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22J+Chem+Educ%22%5BJournal%5D)">Comparing the Energy Content of Batteries, Fuels, and Materials.</a> J Chem Educ. 90, 446-452 (2013).</li>
<li>Girishkumar, G., McCloskey, B., Luntz, A. C., Swanson, S., Wilcke, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lithium+-+Air+Battery%3A+Promise+and+Challenges%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+Lett%22%5BJournal%5D)">Lithium - Air Battery: Promise and Challenges.</a> J Phys Chem Lett. 1, 2193-2203 (2010).</li>
<li>Selim, R., Bro, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Some+observations+on+rechargeable+lithium+electrodes+in+a+propylene+carbonate+electrolyte%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">Some observations on rechargeable lithium electrodes in a propylene carbonate electrolyte.</a> J Electrochem Soc. 121, 1457-1459 (1974).</li>
<li>Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y., Teller, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+short+review+of+failure+mechanisms+of+lithium+metal+and+lithiated+graphite+anodes+in+liquid+electrolyte+solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Ionics%22%5BJournal%5D)">A short review of failure mechanisms of lithium metal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions.</a> Solid State Ionics. 148, 405-416 (2002).</li>
<li>Monroe, C., Newman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dendrite+Growth+in+Lithium%2FPolymer+Systems%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems.</a> J Electrochem Soc. 150, A1377(2003).</li>
<li>Barton, J. L., Bockris, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Electrolytic+Growth+of+Dendrites+from+Ionic+Solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+R+Soc+Ser+A%22%5BJournal%5D)">The Electrolytic Growth of Dendrites from Ionic Solutions.</a> Proc R Soc Ser A. 268, 485-505 (1962).</li>
<li>Bhattacharyya, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+NMR+observation+of+the+formation+of+metallic+lithium+microstructures+in+lithium+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">In situ NMR observation of the formation of metallic lithium microstructures in lithium batteries.</a> Nat Mater. 9, 504-510 (2010).</li>
<li>Chandrashekar, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((7Li+MRI+of+Li+batteries+reveals+location+of+microstructural+lithium%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">7Li MRI of Li batteries reveals location of microstructural lithium.</a> Nat Mater. 11, 311-315 (2012).</li>
<li>Arora, P., White, R. E., Doyle, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Capacity+fade+mechanisms+and+side+reactions+in+lithium-ion+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">Capacity fade mechanisms and side reactions in lithium-ion batteries.</a> J Electrochem Soc. 145, 3647-3667 (1998).</li>
<li>Ebner, M., Marone, F., Stampanoni, M., Wood, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+and+Quantification+of+Electrochemical+and+Mechanical+Degradation+in+Li+Ion+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Visualization and Quantification of Electrochemical and Mechanical Degradation in Li Ion Batteries.</a> Science. 342, 716-720 (2013).</li>
<li>Qi, Y., Harris, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Situ+Observation+of+Strains+during+Lithiation+of+a+Graphite+Electrode%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">In Situ Observation of Strains during Lithiation of a Graphite Electrode.</a> J Electrochem Soc. 157, A741-A747 (2010).</li>
<li>Eastwood, D. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+characterization+of+electrodeposited+lithium+microstructures+using+synchrotron+X-ray+phase+contrast+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Commun%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional characterization of electrodeposited lithium microstructures using synchrotron X-ray phase contrast imaging.</a> Chem Commun. , (2014).</li>
<li>Shui, J. -L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reversibility+of+anodic+lithium+in+rechargeable+lithium%E2%80%93oxygen+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+commun%22%5BJournal%5D)">Reversibility of anodic lithium in rechargeable lithium–oxygen batteries.</a> Nat commun. 4, (2013).</li>
<li>Harry, K. J., Hallinan, D. T., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Balsara, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+subsurface+structures+underneath+dendrites+formed+on+cycled+lithium+metal+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">Detection of subsurface structures underneath dendrites formed on cycled lithium metal electrodes.</a> Nat Mater. 13, 69-73 (2014).</li>
<li>Baruchel, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+synchrotron+hard+X-ray+based+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Cr+Phys%22%5BJournal%5D)">Advances in synchrotron hard X-ray based imaging.</a> Cr Phys. 9, 624-641 (2008).</li>
<li>Flannery, B. P., Deckman, H. W., Roberge, W. G., D'Amico, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+X-ray+Microtomography%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional X-ray Microtomography.</a> Science. 237, 1439-1444 (1987).</li>
<li>Singh, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+molecular+weight+on+the+mechanical+and+electrical+properties+of+block+copolymer+electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Effect of molecular weight on the mechanical and electrical properties of block copolymer electrolytes.</a> Macromolecules. 40, 4578-4585 (2007).</li>
<li>Monroe, C., Newman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Impact+of+Elastic+Deformation+on+Deposition+Kinetics+at+Lithium%2FPolymer+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">The Impact of Elastic Deformation on Deposition Kinetics at Lithium/Polymer Interfaces.</a> J Electrochem Soc. 152, A396-1149 (2005).</li>
<li>Stone, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resolution+of+the+Modulus+versus+Adhesion+Dilemma+in+Solid+Polymer+Electrolytes+for+Rechargeable+Lithium+Metal+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electrochem+Soc%22%5BJournal%5D)">Resolution of the Modulus versus Adhesion Dilemma in Solid Polymer Electrolytes for Rechargeable Lithium Metal Batteries.</a> J Electrochem Soc. 159, A222-A227 (2012).</li>
<li>Panday, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+Molecular+Weight+and+Salt+Concentration+on+Conductivity+of+Block+Copolymer+Electrolytes%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Effect of Molecular Weight and Salt Concentration on Conductivity of Block Copolymer Electrolytes.</a> Macromolecules. 42, 4632-4637 (2009).</li>
<li>Avizo v.8.1. , FEI Company. Hillsboro, Oregon. Available from: 
	
 <a target="_blank" href="http://www.vsg3d.com/">http://www.vsg3d.com/</a> (2014).</li>
<li>Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NIH+Image+to+ImageJ%3A+25+years+of+image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+methods%22%5BJournal%5D)">NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis.</a> Nat methods. 9, 671-675 (2012).</li>
<li>Henke, B. L., Gullikson, E. M., Davis, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-Ray+Interactions+-+Photoabsorption%2C+Scattering%2C+Transmission+and+Reflection+at+E%3D50-30%2C000+Ev%2C+Z%3D1-92+%28Vol+54%2C+Pg+181%2C+1993%29%5BTitle%5D)+AND+%22Atom+Data+Nucl+Data%22%5BJournal%5D)">X-Ray Interactions - Photoabsorption, Scattering, Transmission and Reflection at E=50-30,000 Ev, Z=1-92 (Vol 54, Pg 181, 1993).</a> Atom Data Nucl Data. 55, 349-349 (1993).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego szczególnie dobrze nadaje się do próbek wrażliwych na powietrze, takich jak wiele materiałów aktywnych elektrochemicznie, ponieważ promienie rentgenowskie mogą przenikać przez materiał torebki ochronnej, umożliwiając łatwe obrazowanie próbki bez ekspozycji na powietrze. Być może najcenniejszą cechą tej techniki obrazowania jest to, że przenikające promieniowanie rentgenowskie pozwala użytkownikowi zajrzeć do wnętrza próbki bez jej niszczenia. Większość popularnych t...

Badacze aktywnie badają chemię baterii o teoretycznej gęstości energii o rzędzie wielkości większej niż tradycyjne baterie litowo-jonowe. 1,2 Te akumulatory o wysokiej gęstości energii sprawią, że pojazdy elektryczne będą bardziej konkurencyjne w stosunku do ich odpowiedników napędzanych benzyną. 3 Jednak te nowe substancje chemiczne mają kilka rodzajów awarii, które wykluczają ich zastosowanie w technologiach komercyjnych. Na przykład te chemie baterii wymagają anody litowo-metalowej, aby osiągnąć duże zwiększenie gęstości energii; Niestety, lit metaliczny jest podatny na wzrost dendrytów, ponieważ jony litu są redukowane na powierzchni anody podczas ładowania. 4-9 Ponadto pęknięcie aktywnych cząstek w katodzie i słaba przyczepność w akumulatorze może spowodować awarię ogniwa. 10
Wiele trybów awarii baterii występuje na skali mikrometrycznej. Jednak większość materiałów baterii jest wrażliwa na powietrze, co utrudnia przygotowanie próbki do analizy za pomocą mikroskopii elektronowej i tradycyjnej mikroskopii optycznej. Synchrotronowa mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego pozwala na wizualizację wnętrza baterii bez konieczności jej demontażu. 11-14 Co więcej, technika ta pozwala na trójwymiarową (3D) rekonstrukcję zmontowanego ogniwa, co ułatwia znalezienie miejsc awarii. 15 Znalezienie solidnych technik, które umożliwią naukowcom rozwinięcie wiedzy naukowej niezbędnej do dokładnego przewidywania żywotności baterii, ma kluczowe znaczenie dla projektowania technologii baterii nowej generacji. Omawiana tutaj procedura pokaże w szczególności, w jaki sposób można przygotować i zobrazować modelowe akumulatory w celu zbadania wzrostu dendrytów litowo-metalicznych przez membrany elektrolitu polimerowego.
Tomografia komputerowa (CT) nie jest nową techniką i była często używana do analizy awarii w przemyśle. Mikrotomografia rentgenowska oparta na synchrotronie jest korzystna, ponieważ wysoka jasność i strumień źródła pozwalają na zbieranie obrazów o wysokiej rozdzielczości i dobrym stosunku sygnału do szumu w znacznie krótszym czasie. 16 Dodatkowo, można wykorzystać rozdzielczość energii promieniowania rentgenowskiego do obrazowania energii wokół krawędzi absorpcji związku chemicznego, co powoduje identyfikację składników zawierających ten związek chemiczny. 17 Stwierdzono, że źródło synchrotronowe zapewnia wystarczający strumień, aby uzyskać dobry kontrast między membranami litowo-metalicznymi a stałymi polimerowymi membranami elektrolitowymi, co umożliwia obrazowanie dendrytów litowo-metalowych. 15
Omawiane tutaj badanie wykorzystuje wysokomodułową, blokową membranę elektrolitową z kopolimeru. 18 Te membrany o wysokim module sprężystości hamują wzrost dendrytów litu, wydłużając żywotność baterii. 19,20 Jednak dendryty nadal w końcu przebijają membranę, powodując awarię baterii w wyniku zwarcia. Ważne jest, aby zrozumieć naturę powstawania i wzrostu dendrytów w tych membranach elektrolitowych o wysokim module sprężystości, aby zaprojektować strategie zapobiegania ich wzrostowi.

<table><tbody><tr><td>Bezwodny N-metylo-2-pirolidon&nbsp;</td><td>MILLIPORE</td><td>MX1396-7</td><td></td></tr><tr><td>Bis(trifluorometan)sulfonamid litu</td><td>MILLIPORE</td><td>8438730010</td><td></td></tr><tr><td>Lit metaliczny</td><td>FMC Lit</td><td>Brak</td><td>Lectro Max 100</td></tr><tr><td>Materiał pokrowca</td><td>MTI Corporation</td><td>EQ-alf-400-7.5M</td><td></td></tr><tr><td>Zakładki niklowe</td><td>MTI Corporation</td><td>EQ-PLiB-NTA3</td><td></td></tr></tbody></table>

analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Obrazowanie zmian morfologicznych, które zachodzą w trakcie życia akumulatorów, jest konieczne, aby zrozumieć, w jaki sposób te urządzenia zawodzą. Od czasu pojawienia się akumulatorów litowo-jonowych naukowcy wiedzą, że anoda litowo-metalowa ma najwyższą teoretyczną gęstość energii spośród wszystkich materiałów anodowych. Jednak akumulatory zawierające anodę litowo-metalową nie są szeroko stosowane w produktach konsumenckich, ponieważ wzrost dendrytów litowych z anody podczas ładowania akumulatora powoduje przedwczesną awarię ogniwa w wyniku zwarcia. Dendryty litowe mogą również tworzyć się w komercyjnych akumulatorach litowo-jonowych z anodami grafitowymi, jeśli są niewłaściwie naładowane. Pokazujemy, że wzrost dendrytów litu można badać za pomocą mikrotomografii twardego promieniowania rentgenowskiego opartej na synchrotronie. Ta nieniszcząca technika obrazowania pozwala naukowcom badać wzrost dendrytów litu, a także inne zmiany morfologiczne wewnątrz baterii, a następnie opracowywać metody wydłużania żywotności baterii.

Podczas cyklowania opisanych powyżej symetrycznych ogniw litowo-litowych w temperaturze 90 °C odpowiedź napięciowa wygląda tak, jak przedstawiono na Rysunku 1. Z czasem dendryty litu przerastają elektrolit, co prowadzi do awarii ogniwa na skutek zwarcia. W takim przypadku odpowiedź napięciowa na przyłożony prąd spadnie do 0,00 V. Dendryty, takie jak ten pokazany na Rysunku 2, pojawiają się w próbkach, w których doszło do zwarcia. W próbkach stwierdza się również obecność dendrytów, które...

Synchrotronowa mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego jest używana do obrazowania elektrochemicznego wzrostu dendrytów z elektrody litowo-metalowej przez membranę elektrolitu polimerowego.

Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wizualizacja wnętrza modelowej baterii składającej się z dwóch elektrod z metalicznego litu rozdzielonych polimerową membraną elektrolityczną. Jest to realizowane poprzez wstępne odlewanie filmu elektrolitu polimerowego metodą odparowania rozpuszczalnika. Drugim krokiem jest przygotowanie próbek poprzez umieszczenie fragmentu elektrolitu polimerowego pomiędzy dwiema elektrodami z metalicznego litu i zamknięcie ich próżniowo w szczelnym opakowaniu.Następnie próbki poddaje się cyklom galwanostatycznym aż do wystąpienia zwarcia lub przez pożądany czas. Ostatnim etapem jest zmniejszenie rozmiaru próbki, usunięcie niklowych wyprowadzeń, a następnie obrazowanie za pomocą twardej mikrotomografii rentgenowskiej. W końcowym etapie obrazowanie mikrotomografią rentgenowską służy do wykazania zmian morfologicznych, takich jak wzrost dendrytów w elektrodach z metalicznego litu oraz w elektrolicie polimerowym w zależności od liczby cykli.Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak mikroskopia elektronowa, jest to, że uzyskane obrazy pokazują wnętrze warstw elektrody i elektrolitu, ujawniając struktury ukryte przy zastosowaniu tradycyjnych technik obrazowania. Przed rozpoczęciem tej procedury należy zsyntetyzować polistyren, blokowy tlenek polietylenu, kopolimer lub SEO za pomocą polimeryzacji anionowej, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Wszystkie etapy przygotowania próbek należy przeprowadzić w komorze rękawicowej Argonne, w której poziom wody i tlenu jest kontrolowany i utrzymuje się poniżej pięciu części na milion. Rozpuścić 0,3 g polimeru w bezwodnym N-metylu-2-pirolidonie lub NMP z suchą solą litowego bis(trifluorometanosulfoniamidu) lub LiTFSI.Należy zastosować stosunek masy soli L-I-T-F-S-I do SEO wynoszący 0,275 oraz stosunek masy NMP do SEO wynoszący 13,13. Taka ilość polimeru pozwoli na otrzymanie membrany wystarczająco dużej do przygotowania około 20 próbek. Roztwór należy podgrzać do 90 °C na płycie grzejczej i mieszać do czasu całkowitego rozpuszczenia polimeru.Wylej całą mieszaninę polimeru i soli na kwadratowy kawałek folii niklowej o wymiarach około 15 na 15 centymetrów. Rozprowadź ją, używając luźno prowadzonej rakli. Przykryj film folią aluminiową i pozostaw do wyschnięcia na płycie odlewniczej w temperaturze 60 °C przez noc.Po wysuszeniu odklej folię od folii niklowej i pozwól jej na dalsze suszenie w próżni w temperaturze 90 °C. Powstałą wolnostojącą folię owiń folią niklową i przechowuj w szczelnym pojemniku wewnątrz komory glove box do późniejszego użycia. Za pomocą okrągłego metalowego wycinaka o średnicy 7/16 cala wytnij dwie elektrody z litu metalicznego z rolki folii litowej o czystości 99,9% klasy bateryjnej.Następnie za pomocą metalowego wycinaka o średnicy pół cala należy wyciąć kawałek błony elektrolitu polimerowego, umieścić tę błonę pomiędzy dwiema elektrodami z litowego metalu i docisnąć niklowe zakładki do elektrod. Próbkę należy zamknąć próżniowo w szczelnym worku wykonanym z polipropylenu i aluminium wyłożonego nylonem. Jedną z elektrod litowych można łatwo zastąpić katodą.W przypadku chęci zbadania pełnego ogniwa w celu przeprowadzenia cyklowania symetrycznego, należy umieścić próbkę zamkniętą próżniowo w piecu nagrzanym do 90 °C i poddać ją cyklowaniu przy użyciu sprzętu do pomiarów elektrochemicznych. Próbkę należy podgrzewać podczas cyklowania, aby zapewnić odpowiednią przewodność jonową przez membranę elektrolitu; ze względów bezpieczeństwa należy dopilnować, aby temperatura próbki nie zbliżyła się do temperatury topnienia litu metalicznego, która wynosi 180 °C.Przepuść przez próbkę prąd o gęstości 0.175 mA/cm² przez cztery godziny, a następnie zastosuj 45-minutowy odpoczynek. Następnie przepuść przez próbkę prąd o gęstości -0.175 mA/cm² przez cztery godziny, a następnie zastosuj 45-minutowy odpoczynek. Powtarzaj ten cykl tyle razy, ile jest wymagane.Po przeprowadzeniu cykli w ogniwie symetrycznym, należy przenieść je z powrotem do komory rękawicowej i wyjąć z etui. Za pomocą metalowego wycinaka o średnicy 1/8 cala należy wyciąć środkową część ogniwa próżniowego. Środkową część ogniwa należy zabezpieczyć w materiale etui, a następnie wyjąć z komory rękawicowej w celu transportu do ośrodka synchrotronowego.Po dotarciu do linii wiązki, należy użyć taśmy poliamidowej, aby przymocować próbkę do stolika obiektowego. Umieść marker metalowy mniej więcej w centrum próbki, aby zaznaczyć miejsce, wokół którego próbka będzie się obracać. Po wyrównaniu zamontuj próbkę na obrotowym stoliku w osłonie linii wiązki.Do obrazowania należy użyć promieni rentgenowskich o energii 20 keV, stosując czas ekspozycji zoptymalizowany dla danego systemu. Czas ekspozycji należy zoptymalizować, balansując między czasem skanowania a liczbą zliczeń na obraz. Całkowity czas skanowania należy oszacować, mnożąc czas ekspozycji przez liczbę zebranych tutaj obrazów.Należy zastosować czas naświetlania wynoszący 300 milisekund, co przełoży się na czas skanowania od pięciu do 10 minut. Na początku każdej zmiany pozycji wiązki należy zmierzyć rozmiar piksela odpowiadający soczewkom optycznym i wyrównać próbkę na stole obrotowym względem systemu detekcji w taki sposób, aby pozostała ona w polu widzenia detektora podczas obrotu o 180 stopni. Próbkę należy umieścić jak najbliżej detektora, upewniając się jednocześnie, że nie uderzy ona w detektor pod żadnym kątem obrotu.Po wyrównaniu przeprowadź skanowanie składające się z 1025 obrazów zebranych podczas obrotów próbki w zakresie od 0 do 180 stopni. Podczas skanowania automatycznie zbierana jest seria obrazów w jasnym i ciemnym polu. Obrazy w jasnym polu należy zebrać, przesuwając próbkę poza pole widzenia.Dodatkowo należy zebrać obrazy w ciemnym polu, wykonując zdjęcia przy wyłączonej wiązce. Wykorzystuje się je do normalizacji obrazów próbek w celu skorygowania niejednorodnego oświetlenia oraz odpowiedzi kamery CCD. Przedstawiono tutaj reprezentatywne wyniki cyklowania galwanostatycznego dla symetrycznej celi z polimerowym elektrolitem litowometalowym, przy zastosowaniu prądu jonowego wynoszącego 0,175 mA/cm². Po cyklowaniu wymagane jest napięcie wynoszące około 0,07 V.Próbkę obrazuje się przy użyciu mikrotomografii rentgenowskiej wysokich energii. Przedstawiony tutaj schemat obrazuje, w jaki sposób próbka jest ustawiona względem wiązki padającej. Obrazy wiązki są zbierane w sposób ciągły podczas obracania próbki o 180 stopni.Przedstawiony tutaj obraz radiograficzny jest przykładem jednego z tysięcy obrazów wykonanych podczas obracania próbki. Jasność pikseli na radiogramie jest proporcjonalna do ilości promieni Rentgena przenikających przez ten obszar próbki. Obraz pokazany tutaj to przekrój poprzeczny przez zrekonstruowany zestaw danych dla wcześniej pokazanej próbki po przeprowadzeniu rekonstrukcji.Widoczne są drobne elementy, takie jak dendryt litu metalicznego zaznaczony po lewej stronie obrazu. Renderowanie 3D tego dendrytu litu zostało wykonane na podstawie stosu zrekonstruowanych obrazów rentgenowskich. Górna i dolna elektroda zostały uczynione przezroczystymi, aby umożliwić wgląd w morfologię dendrytu litu (pokazanego na pomarańczowo), który po swoim wzroście przebija elektrolit polimerowy (pokazany na jasnoniebiesko).Technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie inżynierii elektrochemicznej do zbadania przyczyn awarii baterii.

failure-analysis-batteries-using-synchrotron-based-hard-x-ray

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykorzystaliśmy synchrotronową tomografię rentgenowską w Europejskiej Instalacji Promieniowania Synchrotronowego (ESRF), aby nieinwazyjnie uzyskać trójwymiarowe zbiory danych tomograficznych o rozdzielczości piksela 0.7µm. Dzięki zastosowaniu oprogramowania do renderowania objętościowego możliwe jest zrekonstruowanie struktur wewnętrznych w ich stanie naturalnym, bez artefaktów powstających podczas sekcjonowania histologicznego.

Nieinwazyjna wizualizacja 3D z rozdzielczością submikronową z wykorzystaniem synchrotronowej tomografii rentgenowskiej

Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania...

Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego

Opisujemy projekt i budowę ogniwa elektrochemicznego do badania materiałów elektrodowych za pomocą dyfrakcji proszków neutronów in situ (NPD). Pokrótce omówimy alternatywne projekty komórek NPD in situ i omówimy metody analizy odpowiadających im danych NPD in situ uzyskanych przy użyciu tej komórki.

In Situ Dyfrakcja proszku neutronowego przy użyciu niestandardowych akumulatorów litowo-jonowych

W tym badaniu mikrotomografia promieniowania synchrotronowego, nieniszcząca technika obrazowania trójwymiarowego, jest wykorzystywana do zbadania całego pakietu mikroelektronicznego o polu przekroju poprzecznego 16 x 16 mm. Ze względu na wysoki strumień i jasność synchrotronu, próbka została zobrazowana w zaledwie 3 minuty z rozdzielczością przestrzenną 8,7 μm.

Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych

Tutaj prezentujemy protokół dla typowych eksperymentów miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (sXAS) i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (RIXS) z zastosowaniem w badaniach materiałów akumulatorowych.

Wrażliwe na pierwiastki wykrywanie chemii w bateriach za pomocą miękkiej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego i rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego

Ten artykuł opisuje wpływ różnych temperatur ładowania/rozładowania na degradację ogniw litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowych, dążąc do symulacji scenariuszy zbliżonych do rzeczywistych. W sumie bada się 10 kombinacji temperatur w zakresie od -20 do 30 °C w celu analizy wpływu temperatury na degradację.

Wpływ ładowania i rozładowywania ogniw litowo-żelazowo-fosforanowo-grafitowych w różnych temperaturach na degradację

Opisano konfigurację do pomiarów prądu indukowanego promieniowaniem rentgenowskim na liniach synchrotronowych. Przedstawiono w nim wyniki badań nad ogniwami słonecznymi w nanoskali i rozszerzono zestaw technik multimodalnej mikroskopii rentgenowskiej. Od okablowania po optymalizację sygnału do szumu, pokazano, jak wykonywać najnowocześniejsze pomiary XBIC na twardej mikrosondzie rentgenowskiej.

Pomiary prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego do multimodalnej mikroskopii rentgenowskiej ogniw słonecznych

Protokół opisuje procedury pozyskiwania obrazów tomografii komputerowej (CT) ziarnistego gruntu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej podczas trójosiowego ściskania oraz stosowania technik przetwarzania obrazów do tych obrazów CT w celu zbadania mechanicznego zachowania gleby pod obciążeniem w skali ziarna.

Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Techniki kriogenicznej skupionej wiązki jonów (FIB) i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) mogą dostarczyć kluczowych informacji na temat chemii i morfologii nienaruszonych granic faz ciało stałe-ciecz. Szczegółowo omówiono metody sporządzania wysokiej jakości map spektroskopowych takich interfejsów z dyspersją energii (EDX), ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń do magazynowania energii.

Charakterystyka granic faz ciecz-ciało stałe w nanoskali poprzez sprzężenie kriofokusowego mielenia wiązki jonów ze skaningową mikroskopią elektronową i spektroskopią

Ta praca ma na celu określenie kinetyki reakcji katody i anody baterii litowo-jonowej ulegających niekontrolowanemu wzrostowi termicznemu (TR). Jednoczesna analiza termiczna (STA)/spektrometr FTIR z transformacją Fouriera/spektrometria mas chromatografii gazowej (GC-MS) zostały wykorzystane do ujawnienia zdarzeń termicznych i wykrycia wydzielanych gazów.

identyfikacja i kwantyfikacja mechanizmów rozkładu w akumulatorach litowo-jonowych; Dane wejściowe do symulacji przepływu ciepła w celu modelowania niekontrolowanej temperatury

Wykorzystując zmianę objętości nanocząstek Si podczas (de)litacji, obecny protokół opisuje metodę przesiewową potencjalnych powłok dla baterii półprzewodnikowych za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ.

Przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Poznaj metodę synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej do wizualizacji wzrostu dendrytów w elektrodach litowych. Technika ta pozwala badać zmiany morfologiczne wewnątrz baterii podczas cyklowania.

Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Przeglądaj więcej filmów