Анализ отказов батарей с использованием синхротронного основе жесткого рентгеновского микротомография

Общая цель этой процедуры — визуализировать внутреннюю часть модельной батареи, состоящей из двух литий-металлических электродов, разделенных мембраной из полимерного электролита. Это достигается путем предварительного литья растворителем пленки полимерного электролита. Второй шаг заключается в сборке образцов путем зажатия кусочка полимерного электролита между двумя литий-металлическими электродами и вакуумной герметизации в герметичный мешочек.

Затем образцы подвергаются статическому циклическому оцинкованию до тех пор, пока они не выйдут из строя из-за короткого замыкания или до желаемого времени. Заключительным этапом является уменьшение размера образца, удаление никелевых вкладок, а затем получение изображения с помощью жесткой рентгеновской микротомографии. В конечном счете, рентгеновская микротомография используется для отображения морфологических изменений, таких как рост дендритов в литий-металлических электродах и полимерный электролит в зависимости от цикличности.

Основное преимущество этого метода перед существующими методами, такими как электронная микроскопия, заключается в том, что полученные изображения показывают внутреннюю часть электрода и слои электролита, раскрывая структуры, которые скрыты с помощью традиционных методов визуализации Перед началом этой процедуры синтезируйте полистирол, блокирующий полиэтиленоксид, сополимер или SEO с использованием онической полимеризации, как указано в текстовом протоколе. Вся подготовка образцов выполняется в бардачке Аргонн, где уровень воды и кислорода контролируется и остается менее пяти частей на миллион. 0,3 грамма полимера в безводном и метил-2 пиро или NMP с сухим фтором лития, сульфанинами метана или солью L-I-T-F-S-I.

Используйте отношение соли L-I-T-F-S-I к массе SEO 0,275 и отношение массы NMP к массе SEO 13,13. Из этого количества полимера получится мембрана, достаточно большая, чтобы сделать примерно 20 образцов. Съешьте раствор до 90 градусов Цельсия на горячей плите и дайте ему размешаться, пока полимер не растворится.

Отлейте всю смесь полимера и соли на квадратный кусок никелевой фольги размером примерно 15 на 15 сантиметров. Использование ракельного лезвия свободно. Накройте пленку алюминиевой фольгой и дайте ей высохнуть на литейной пластине при температуре 60 градусов Цельсия в течение ночи.

После высыхания снимите пленку с никелевой фольги и дайте ей высохнуть дальше под вакуумом при температуре 90 градусов Цельсия. Оберните получившуюся отдельно стоящую пленку в никелевую фольгу и храните ее в герметичной коробке в бардачке для последующего использования. Используйте круглый металлический пробойник диаметром семь 16 дюймов, чтобы вырезать два литий-металлических электрода из рулона литий-металлической фольги 99,9% чистоты аккумулятора.

Затем с помощью металлического пробойника диаметром полдюйма вырезайте кусок пленки полимерного электролита, сэндвич с пленкой полимерного электролита между двумя литий-металлическими электродами и прижмите никелевые выступы к электродам. Вакуумная упаковка образца в герметичный мешочек из полипропилена и алюминия с нейлоновой футеровкой. Один из литиевых электродов легко заменяется местами с катодом.

Если кто-то хочет изучить полную батарею, то сможет выполнять симметричный цикл ячеек. Поместите вакуумную упаковку образца в печь, нагретую при температуре 90 градусов Цельсия, и циклируйте с помощью электрохимического циклического оборудования. Нагревайте образец во время цикла, чтобы достичь разумной ионной проводимости через мембрану электролита для безопасности, следите за тем, чтобы образец не приближался к температуре плавления металлического лития в 180 градусов Цельсия.

Пропустите через образец плотность тока 0,175 миллиампер на квадратный сантиметр в течение четырех часов, а затем отдохните 45 минут. Затем пропустите через образец плотность тока отрицательных 0,175 миллиампер на квадратный сантиметр в течение четырех часов, а затем сделайте 45-минутный отдых. Повторяйте эту программу езды на велосипеде столько раз, сколько захотите.

После того, как симметричная ячейка будет цикличной, верните ее обратно в бардачок и выньте из сумки. Используйте металлический пробойник толщиной в одну восьмую дюйма, чтобы вырезать центральную часть вакуума ячейки. Запечатайте центральную часть ячейки в мешочке и извлеките ее из перчаточного ящика для транспортировки в синхротронную установку.

Оказавшись на линии луча, с помощью полиамидной ленты прикрепите образец к предметному столику. Поместите металлический маркер примерно в центр образца, чтобы отметить место, вокруг которого образец будет вращаться. После выравнивания установите образец на вращающийся столик в контейнере с пучком.

Для визуализации используйте рентгеновские лучи с напряжением 20 килоэлектронвольт, чтобы получить изображение образца с оптимизированным для системы временем экспозиции. Оптимизируйте время экспозиции, сбалансировав время сканирования и количество отсчетов на изображение. Оцените общее время сканирования, умножив время экспозиции на количество собранных здесь изображений.

Используйте время экспозиции 300 миллисекунд, в результате чего время сканирования составляет от пяти до 10 минут. Измерьте размер пикселя, связанный с оптическими линзами, в начале каждого положения сдвига луча по времени и выровняйте образец на поворотном столике по отношению к системе детектирования таким образом, чтобы он оставался в поле зрения детектора при повороте на 180 градусов. Расположите образец как можно ближе к детектору, следя за тем, чтобы образец не ударился о детектор под любым углом поворота.

После совмещения выполните сканирование, состоящее из 1025 изображений, собранных при повороте образца от нуля до 180 градусов. Во время сканирования автоматически собирается серия изображений светлого и темного поля. Собирайте изображения яркого поля, перемещая образец за пределы поля зрения.

Кроме того, соберите изображения в темном поле, делая снимки при выключенном луче. Используйте их для нормализации образцов изображений для более позднего отклика и отклика ПЗС-камеры Здесь показаны результаты статического цикла Galvan для симметричной ячейки литий-металл-полимерных электролитов для подачи ионного тока 0,175 миллиампер на квадратный сантиметр. После езды на велосипеде требуется напряжение около 0,07 вольта.

Образец визуализируется с помощью жесткой рентгеновской микротомографии. Показанная здесь схема иллюстрирует, как расположен образец по отношению к инциденту. Изображения луча собираются непрерывно при повороте образца на 180 градусов.

Показанное здесь рентгенограмма является примером одного из тысяч изображений, сделанных с образцом при его вращении. Яркость пикселей на рентгенограмме пропорциональна количеству рентгеновских лучей, проходящих через эту область образца. Показанное здесь изображение представляет собой поперечный срез реконструированного набора данных для образца, показанного ранее после реконструкции.

Видны мелкие детали, такие как литий-металлический дендрит, указанный в левой части изображения. 3D-рендеринг этого литиевого дендрита сделан на основе стопки реконструированных рентгеновских изображений. Верхний и нижний электроды сделаны прозрачными, чтобы можно было увидеть морфологию дендрита лития, показанного оранжевым цветом, прокалывание полимерного электролита, показанного светло-голубым, после его развития.

Этот метод проложил путь исследователям в области электрохимической инженерии к изучению причины выхода из строя аккумуляторов.