Falha Análise de Baterias Usando baseado no Synchrotron microtomografia de raios-X dura

O objetivo geral deste procedimento é visualizar o interior de uma bateria modelo composta por dois eletrodos de metal lítio separados por uma membrana polimérica de eletrólito. Isso é realizado primeiramente por meio da moldagem do polímero eletrólito a partir de solvente. O segundo passo consiste em montar as amostras colocando um pedaço da membrana polimérica de eletrólito entre dois eletrodos de metal lítio e selando-as sob vácuo em uma embalagem hermética.

Em seguida, as amostras são cicladas galvanostaticamente até falharem por curto-circuito ou pelo tempo desejado. O passo final consiste em reduzir o tamanho da amostra, remover as abas de níquel e, então, obter imagens por microtomografia de raios X duros. Em última análise, a microtomografia de raios X é utilizada para mostrar alterações morfológicas, como o crescimento de dendritos nos eletrodos de metal lítio e no eletrólito polimérico, em função do ciclo de carga.

A principal vantagem desta técnica em relação a métodos existentes, como a microscopia eletrônica, é que as imagens resultantes mostram o interior das camadas do eletrodo e do eletrólito, revelando estruturas que permanecem ocultas quando se utilizam técnicas tradicionais de imagem. Antes de iniciar este procedimento, sintetize o poliestireno, bloco de poli(óxido de etileno), copolímero, ou SEO, utilizando polimerização iônica conforme referenciado no protocolo descrito no texto. Realize toda a preparação da amostra em uma caixa de luvas da Argonne, onde os níveis de água e oxigênio são controlados e permanecem abaixo de cinco partes por milhão. Dissolva 0,3 gramas do polímero em NMP anidro e metil pirrolidona, ou NMP com sal de lítio bifluoreto triflimida, ou L-I-T-F-S-I.

Utilize uma razão em massa de sal L-I-T-F-S-I para SEO de 0,275 e uma razão em massa de NMP para SEO de 13,13. Esta quantidade de polímero produzirá uma membrana grande o suficiente para fabricar aproximadamente 20 amostras. Aqueça a solução a 90 graus Celsius em uma placa aquecedora e deixe sob agitação até que o polímero se dissolva.

Despeje toda a mistura de polímero e sal sobre um pedaço quadrado de folha de níquel com aproximadamente 15 por 15 centímetros. Utilize uma faca espalhadora de forma solta. Cubra o filme com folha de alumínio e deixe secar na placa de vazamento a 60 graus Celsius durante a noite.

Após a secagem, retire o filme da folha de níquel e deixe secar ainda mais sob vácuo a 90 graus Celsius. Envolva o filme autossustentável resultante em folha de níquel e armazene-o dentro de uma caixa hermética na caixa de luvas para uso posterior. Utilize um perfurador metálico redondo de sete dezesseis avos de polegada de diâmetro para recortar dois eletrodos de lítio metálico de um rolo de folha de lítio metálico de grau bateria com pureza de 99,9%.

Em seguida, utilize um furador metálico de meio polegada de diâmetro para recortar um pedaço de filme de eletrólito polimérico, coloque o filme de eletrólito polimérico entre os dois eletrodos de lítio metálico e pressione as abas de níquel sobre os eletrodos. Selle o amostra a vácuo em uma bolsa hermética feita de alumínio revestido com polipropileno e náilon. Um dos eletrodos de lítio pode ser facilmente substituído por um cátodo.

Se desejar estudar uma bateria completa para realizar ciclagem em célula simétrica, coloque a amostra selada a vácuo em uma estufa mantida a 90 graus Celsius e realize ciclagem utilizando equipamento de ciclagem eletroquímica. Aqueça a amostra durante a ciclagem para alcançar condutividade iônica razoável através da membrana de eletrólito; por segurança, certifique-se de que a amostra não se aproxime do ponto de fusão do lítio metálico, que é de 180 graus Celsius.

Aplicar uma densidade de corrente de 0,175 miliampères por centímetro quadrado na amostra durante quatro horas e, em seguida, realizar um período de repouso de 45 minutos. Em seguida, aplicar uma densidade de corrente de menos 0,175 miliampères por centímetro quadrado na amostra durante quatro horas e, em seguida, realizar um período de repouso de 45 minutos. Repetir esse ciclo quantas vezes desejar.

Após o ciclo da célula simétrica, leve-a de volta para a caixa de luvas e remova-a do seu invólucro. Use um perfurador metálico de um oitavo de polegada para recortar a porção central do vácuo da célula. Sobreponha a porção central da célula com material de invólucro e remova-a da caixa de luvas para transporte até a instalação de sincrotron.

Uma vez na linha de feixe, utilize fita de poliamida para fixar a amostra na platina da amostra. Posicione o marcador metálico aproximadamente no centro da amostra para marcar a localização em torno da qual a amostra irá girar. Após o alinhamento, monte a amostra na platina rotativa na cabine da linha de feixe.

Para a aquisição de imagens, utilize raios X de 20 quilo elétron-volts para imaginar a amostra com um tempo de exposição otimizado para o sistema. Otimize o tempo de exposição equilibrando o tempo de varredura e o número de contagens por imagem. Estime o tempo total de varredura multiplicando o tempo de exposição pelo número de imagens coletadas aqui.

Utilize um tempo de exposição de 300 milissegundos, resultando em um tempo de varredura de cinco a 10 minutos. Meça o tamanho do pixel associado às lentes ópticas no início de cada posição de mudança de turno do feixe e alinhe a amostra em uma plataforma rotativa em relação ao sistema de detecção, de modo que ela permaneça no campo de visão do detector enquanto gira 180 graus. Posicione a amostra o mais próximo possível do detector, garantindo que a amostra não toque no detector em nenhum ângulo de rotação.

Uma vez alinhado, realize uma varredura composta por 1025 imagens coletadas durante rotações da amostra entre zero e 180 graus. Uma série de imagens de campo claro e campo escuro é coletada automaticamente durante a varredura. Colete imagens de campo claro movendo a amostra para fora do campo de visão.

Além disso, colete imagens em campo escuro capturando imagens enquanto o feixe está desligado. Utilize essas imagens para normalizar as imagens da amostra em relação à iluminação não homogênea, à resposta residual e à resposta da câmera CCD. Resultados representativos de ciclagem estática galvânica para uma célula simétrica de eletrólito polimérico com metal lítio são mostrados aqui para aplicar uma corrente iônica de 0,175 miliampères por centímetro quadrado. Uma tensão de aproximadamente 0,07 volts é necessária após o ciclagem.

A amostra é imageada utilizando microtomografia com raios X duros. O esquema mostrado aqui ilustra como a amostra é posicionada em relação ao feixe incidente. As imagens são coletadas continuamente enquanto a amostra é rotacionada 180 graus.

A imagem radiográfica mostrada aqui é um exemplo de uma das milhares de imagens capturadas da amostra enquanto era rotacionada. O brilho dos pixels na radiografia é proporcional à quantidade de raios X transmitidos através daquela região da amostra. A imagem mostrada aqui é uma fatia de seção transversal do conjunto de dados reconstruído para a amostra exibida anteriormente, após a reconstrução.

Características finas, como o dendrito de lítio metálico indicado no lado esquerdo da imagem, são visíveis. Uma reconstrução 3D desse dendrito de lítio é feita a partir da pilha de imagens de raios X reconstruídas. Os eletrodos superior e inferior são tornados transparentes para permitir visualizar a morfologia do dendrito de lítio, mostrado em laranja, perfurando o eletrólito polimérico mostrado em azul claro após seu desenvolvimento.

Essa técnica abriu caminho para pesquisadores na área da engenharia eletroquímica explorarem a razão da falha de baterias.