Senkrotron tabanlı sert X-ışını mikrotomografisi, bir lityum metal elektrottan gelen dendritlerin katı bir polimer elektrolit zarı aracılığıyla elektrokimyasal büyümesini görüntülemek için kullanılır.
Yöntem makalesi
Senkrotron tabanlı sert X-ışını mikrotomografisi, bir lityum metal elektrottan gelen dendritlerin katı bir polimer elektrolit zarı aracılığıyla elektrokimyasal büyümesini görüntülemek için kullanılır.
Şarj edilebilir pillerin kullanım ömrü boyunca meydana gelen morfolojik değişiklikleri görüntülemek, bu cihazların nasıl arızalandığını anlamak için gereklidir. Lityum iyon pillerin ortaya çıkışından bu yana, araştırmacılar lityum metal anodun herhangi bir anot malzemesinin en yüksek teorik enerji yoğunluğuna sahip olduğunu biliyorlar. Bununla birlikte, bir lityum metal anot içeren şarj edilebilir piller, tüketici ürünlerinde yaygın olarak kullanılmamaktadır, çünkü pilin şarj edilmesi üzerine anottan lityum dendritlerin büyümesi, kısa devre nedeniyle erken hücre arızasına neden olur. Lityum dendritler, uygun şekilde şarj edilmedikleri takdirde grafit anotlu ticari lityum iyon pillerde de oluşabilir. Lityum dendrit büyümesinin senkrotron bazlı sert X-ışını mikrotomografisi kullanılarak incelenebileceğini gösteriyoruz. Bu tahribatsız görüntüleme tekniği, araştırmacıların pillerin içindeki diğer morfolojik değişikliklere ek olarak lityum dendritlerin büyümesini incelemelerine ve ardından pil ömrünü uzatmak için yöntemler geliştirmelerine olanak tanır.
Araştırmacılar, geleneksel lityum-iyon pillerden daha büyük bir büyüklük sırasına göre teorik enerji yoğunluklarına sahip pil kimyalarını aktif olarak araştırıyorlar. 1,2 Bu yüksek enerji yoğunluklu piller, elektrikli araçları benzinle çalışan muadilleriyle daha rekabetçi hale getirecek. 3 Bununla birlikte, bu yeni kimyaların ticari teknolojilerde kullanılmalarını engelleyen çeşitli arıza modları vardır. Örneğin, bu pil kimyaları, enerji yoğunluğunda büyük iyileştirmeler elde etmek için bir lityum metal anot gerektirir; Ne yazık ki, lityum metali, şarj sırasında anot yüzeyinde lityum iyonları azaldığı için dendrit büyümesine eğilimlidir. 4-9 Ek olarak, katottaki aktif parçacıkların kırılması ve pil içinde zayıf yapışma hücre arızasına neden olabilir. 10
Mikrometre ölçeğinde birçok pil arızası modu meydana gelir. Bununla birlikte, çoğu pil malzemesi havaya duyarlıdır, bu da elektron mikroskobu ve geleneksel optik mikroskopi ile analiz için numune hazırlamayı zorlaştırır. Senkrotron sert X-ışını mikrotomografisi, bir pilin içini sökmeden görselleştirmeyi sağlar. 11-14 Ayrıca, teknik, bir araya getirilen hücrenin üç boyutlu (3D) bir rekonstrüksiyonunu üreterek arıza yerlerini bulmayı kolaylaştırır. 15 Araştırmacıların bir pilin ömrünü doğru bir şekilde tahmin etmek için gereken bilimsel anlayışı geliştirmelerini sağlayan sağlam teknikler bulmak, yeni nesil pil teknolojilerinin tasarımı için kritik öneme sahiptir. Burada tartışılan prosedür, katı polimer elektrolit membranlar yoluyla lityum metal dendritlerin büyümesini incelemek için model pillerin nasıl hazırlanabileceğini ve görüntülenebileceğini özellikle gösterecektir.
Bilgisayarlı tomografi (BT) taraması yeni bir teknik değildir ve endüstride arıza analizi için sıklıkla kullanılmaktadır. Senkrotron tabanlı X-ışını mikrotomografisi avantajlıdır, çünkü kaynağın yüksek parlaklığı ve akısı, yüksek çözünürlüklü ve gürültüye iyi sinyalli görüntülerin çok daha kısa sürede toplanmasına izin verir. 16 Ek olarak, bir kimyasal türün soğurma kenarı etrafındaki enerjileri görüntülemek için X-ışını enerji çözünürlüğünden yararlanılabilir ve bu da o kimyasal türü içeren bileşenlerin tanımlanmasına neden olabilir. 17 Senkrotron kaynağının, lityum metal ve katı polimer elektrolit membranlar arasında iyi bir kontrast elde etmek için yeterli akı sağladığı ve lityum metal dendritlerin görüntülenmesini sağladığı bulundu. 15
Burada tartışılan çalışma, yüksek modüllü, blok kopolimer elektrolit membran kullanmaktadır. 18 Bu yüksek modüllü membranlar, lityum dendrit büyümesini baskılayarak pillerin ömrünü uzatır. 19,20 Bununla birlikte, dendritler yine de sonunda zarı delerek pilin kısa devre ile arızalanmasına neden olur. Büyümelerini önlemek için stratejiler tasarlamak için bu yüksek modüllü elektrolit zarlarında dendrit oluşumunun ve büyümesinin doğasını anlamak önemlidir.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
1. Elektrolit Hazırlama
2. Lityum – Lityum Simetrik Hücre Hazırlama
3. Simetrik Hücre Döngüsü
4. Synchrotron Sert X-ışını Mikrotomografi Görüntüleme
5. Görüntü Yeniden Yapılandırma
6. Veri Görselleştirme ve İşleme
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yukarıda açıklanan simetrik lityum-lityum hücreleri 90 °C'de döngüye sokulduğunda, voltaj yanıtı Şekil 1'de gösterilene benzer şekilde görünür. Nihayetinde, lityum dendritleri elektrolit boyunca büyür ve kısa devre nedeniyle hücrenin arızalanmasına yol açar. Bu durum gerçekleştiğinde, uygulanan akıma karşı voltaj yanıtı 0.00 V'a düşer. Şekil 2'de gösterilenle benzer dendritler, kısa devre nedeniyle arızalanmış örneklerde görülür. Örneklerde elektroliti tamamen kaplamayan dendritler de bu...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sert X-ışını mikrotomografisi, birçok elektrokimyasal olarak aktif malzeme gibi özellikle havaya duyarlı numuneler için çok uygundur, çünkü X-ışınları koruyucu kese malzemesinden geçebilir ve numunenin havaya maruz kalmadan kolayca görüntülenmesini sağlar. Bu görüntüleme tekniğinin belki de en değerli özelliği, nüfuz eden X-ışınlarının kullanıcının numuneyi tahrip etmeden içini görmesine izin vermesidir. Taramalı elektron mikroskobu ve geleneksel optik mikroskopi gibi en yaygın görüntüleme teknikleri yalnızca elektrotlar...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.
Çalışma için birincil finansman, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri Ofisi, Malzeme Bilimleri ve Mühendislik Bölümü'nden Yumuşak Madde Elektron Mikroskobu Programı tarafından Sözleşme No'lu Sözleşme kapsamında sağlanmıştır. DE-AC02-05CH11231. Projenin batarya montaj kısmı, ABD DOE Sözleşmesi DE-AC02-05CH11231 kapsamında Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi aracılığıyla Araç Teknolojileri programından BATT programı tarafından desteklenmiştir. Sert X-ışını mikrotomografi deneyleri, ABD Enerji Bakanlığı Temel Enerji Bilimleri Ofisi Bilim Direktörü tarafından Sözleşme No'lu Sözleşme kapsamında desteklenen Gelişmiş Işık Kaynağı'nda gerçekleştirildi. DE-AC02-05CH11231. Katherine J. Harry, Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu tarafından desteklendi.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Susuz N-metil-2-pirolidon ve nbsp; | MILLIPORE | MX1396-7 | |
| Lityum bis (triflorometan) sülfonamid | MILLIPORE | 8438730010 | |
| Lityum metal | FMC Lityum | Yok | Lectro Max 100 |
| Kese malzemesi | MTI Corporation | EQ-alf-400-7.5M | |
| Nikel sekmeler | MTI Corporation | EQ-PLiB-NTA3 |
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste
İzin iste