Sinkrotron merkezli Sert X-ışını Microtomography kullanılması Akü Arıza Analizi

Bu prosedürün genel amacı, bir polimer elektrolit membran ile birbirinden ayrılmış iki lityum metal elektrottan oluşan model bir pilin iç kısmını görselleştirmektir. Bu işlem, öncelikle bir polimer elektrolit filmin çözücü döküm yöntemiyle hazırlanmasıyla gerçekleştirilir. İkinci adımda ise, polimer elektrolit parçasının iki lityum metal elektrot arasına sandviç şeklinde yerleştirilmesi ve hava sızdırmaz bir poşette vakumla mühürlenmesiyle numuneler bir araya getirilir.

Ardından, numuneler kısa devre nedeniyle bozulana kadar veya istenilen süre boyunca galvanostatik olarak döngüye sokulur. Son adımda, numune boyutu küçültülür, nikel sekmeler çıkarılır ve ardından sert x-ışını mikro tomografisi ile görüntüleme yapılır. Nihayetinde, x-ışını mikro tomografisi görüntülemesi, döngüye bağlı olarak lityum metal elektrotlarda ve polimer elektrolitte dendrit büyümesi gibi morfolojik değişiklikleri göstermek için kullanılır.

Bu tekniğin elektron mikroskobu gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, elde edilen görüntülerin elektrot ve elektrolit katmanlarının içini göstererek geleneksel görüntüleme teknikleriyle gizli kalan yapıları ortaya çıkarmasıdır. Bu prosedüre başlamadan önce, metin protokolünde referans verildiği üzere anyonik polimerizasyon kullanarak polistiren-blok polietilen oksit kopolimeri veya SEO sentezleyin. Tüm numune hazırlama işlemlerini, su ve oksijen seviyelerinin kontrol edildiği ve beş ppm'in altında tutulduğu bir Argonne glove box içerisinde gerçekleştirin. 0.3 g polimeri, susuz N-metil-2-pirolidon (NMP) içinde kuru lityum bis(triflorometansülfonil)imid (LiTFSI) tuzu ile çözün.

0,275 L-I-T-F-S-I tuzuna SEO kütle oranı ve 13,13 NMP'ye SEO kütle oranı kullanın. Bu polimer miktarı, yaklaşık 20 örnek hazırlamaya yetecek büyüklükte bir membran sağlayacaktır. Çözeltiyi bir ısıtıcı tabla üzerinde 90 degrees Celsius'ye kadar ısıtın ve polimer çözünene kadar karıştırın.

Polimer ve tuz karışımının tamamını yaklaşık 15'e 15 santimetrelik kare bir nikel folyo üzerine dökün. Bir doktor bıçağıyla hafifçe yayın. Filmi alüminyum folyo ile örtün ve döküm plakasında 60 °C'de gece boyunca kurumaya bırakın.

Kurutma işleminden sonra, filmi nikel folyodan soyun ve 90 degrees Celsius sıcaklıkta vakum altında daha fazla kurumaya bırakın. Elde edilen bağımsız filmi nikel folyoya sarın ve daha sonra kullanmak üzere eldiven kutusu içindeki hava sızdırmaz bir kutuda saklayın. %99,9 saf batarya sınıfı lityum metal folyo rulosundan iki adet lityum metal elektrot kesmek için yedi 16'lık inç çapında yuvarlak metal bir zımba kullanın.

Ardından, yarım inç çapında metal bir delgeç kullanarak polimer elektrolit filminden bir parça kesin, polimer elektrolit filmi iki lityum metal elektrot arasına yerleştirin ve nikel sekmeleri elektrotların üzerine bastırın. Numuneyi, polipropilen ve naylon kaplı alüminyumdan yapılmış hava sızdırmaz bir poşette vakumla mühürleyin. Lityum elektrotlardan biri kolayca bir katot ile değiştirilebilir.

Simetrik hücre döngüsü gerçekleştirmek amacıyla tam bir bataryanın incelenmesi isteniyorsa, vakumla mühürlenmiş numune 90 °C sıcaklıktaki bir fırına yerleştirilir ve elektrokimyasal döngü ekipmanı kullanılarak döngüye tabi tutulur. Elektrolit membran boyunca makul bir iyonik iletkenlik elde etmek için döngü sırasında numuneyi ısıtın; güvenlik için numunenin 180 °C olan lityum metal erime noktasına yaklaşmadığından emin olun.

Numuneden dört saat boyunca 0.175 mA/cm² akım yoğunluğu geçirin ve ardından 45 dakikalık bir dinlenme süresi uygulayın. Sonra, numuneden dört saat boyunca -0.175 mA/cm² akım yoğunluğu geçirin ve ardından 45 dakikalık bir dinlenme süresi uygulayın. Bu döngü rutinini istenilen sayıda tekrarlayın.

Simetrik hücre döngülendikten sonra, hücreyi tekrar eldiven kutusuna alın ve poşetinden çıkarın. Hücre vakumunun orta kısmını kesip çıkarmak için sekize bir inçlik metal bir zımba kullanın. Hücrenin orta kısmını poşet malzemesiyle mühürleyin ve senkrotron tesisine nakledilmek üzere eldiven kutusundan çıkarın.

Hüzme hattına ulaşıldığında, numuneyi numune tablasına sabitlemek için poliamid bant kullanın. Numunenin etrafında döneceği konumu işaretlemek için metal markörü yaklaşık olarak numunenin merkezine yerleştirin. Hizalama tamamlandıktan sonra, numuneyi hüzme hattı kabinindeki döner tablaya monte edin.

Görüntüleme için, sistem için optimize edilmiş bir pozlama süresiyle örneği görüntülemek üzere 20 kilo elektron volt X-ışınlarını kullanın. Tarama süresi ile görüntü başına düşen sayım sayısını dengeleyerek pozlama süresini optimize edin. Pozlama süresini, burada toplanan görüntü sayısıyla çarparak toplam tarama süresini tahmin edin.

Beş ile 10 dakika arasında bir tarama süresi sağlayan 300 milisaniyelik bir pozlama süresi kullanın. Her demet süresi kaydırma pozisyonunun başında optik lenslerle ilişkili piksel boyutunu ölçün ve numuneyi bir rotasyon tablası üzerinde, 180 derece dönerken dedektörün görüş alanında kalacak şekilde tespit sistemine göre hizalayın. Numunenin herhangi bir rotasyon açısında dedektöre çarpmadığından emin olarak, numuneyi dedektöre mümkün olduğunca yakın konumlandırın.

Hizalama tamamlandıktan sonra, sıfır ile 180 derece arasındaki numune rotasyonları boyunca toplanan 1025 görüntüden oluşan bir tarama gerçekleştirin. Tarama sırasında bir dizi aydınlık alan ve karanlık alan görüntüsü otomatik olarak toplanır. Numuneyi görüş alanının dışına çıkararak aydınlık alan görüntülerini toplayın.

Ek olarak, ışın kapalıyken görüntüler alarak karanlık alan görüntülerini toplayın. Bunları, daha sonraki aşamalarda homojen olmayan aydınlatma ve CCD kamera tepkisini normalize etmek için kullanın. Lityum metal polimer elektrolitli simetrik bir hücre için, santimetrekare başına 0,175 miliamperlik bir iyonik akım uygulamak üzere temsilci galvanostatik döngüleme sonuçları burada gösterilmiştir. Döngüleme sonrasında yaklaşık 0,07 voltluk bir gerilim gereklidir.

Numune, sert x-ışını mikro tomografisi kullanılarak görüntülenir. Burada gösterilen şema, numunenin gelen ışına göre nasıl konumlandırıldığını göstermektedir. Numune 180 derece döndürülürken ışın görüntüleri sürekli olarak toplanır.

Burada gösterilen radyograf görüntüsü, numune döndürülürken çekilen binlerce görüntüden birinin örneğidir. Radyograftaki piksellerin parlaklığı, numunenin o bölgesinden geçen x-ışınlarının miktarıyla orantılıdır. Burada gösterilen görüntü, daha önce gösterilen numuneye ait yeniden yapılandırılmış veri setinin, yeniden yapılandırma sonrası alınmış bir kesit dilimidir.

Görüntünün sol tarafında belirtilen lityum metal dendriti gibi ince özellikler görünür durumdadır. Bu lityum dendritinin 3D render görüntüsü, yeniden yapılandırılmış x-ışını görüntüleri yığınından oluşturulmuştur. Gelişiminden sonra, turuncu ile gösterilen lityum dendritinin morfolojisinin açık mavi ile gösterilen polimer elektroliti delip geçtiğini görebilmek için üst ve alt elektrotlar şeffaf hale getirilmiştir.

Bu teknik, elektrokimyasal mühendislik alanındaki araştırmacıların batarya arızalarının nedenlerini araştırmalarının önünü açmıştır.