Bateri keadaan pepejal
Imej pengecasan dan pelepasan LIB
Bateri keadaan pepejal beroperasi dengan mengecas dan menyahcas melalui pergerakan ion litium, sama seperti bateri litium-ion (LIB) konvensional. Walau bagaimanapun, daripada menggunakan elektrolit cecair dan pemisah antara katod dan anod, mereka menggunakan elektrolit pepejal. Penggantian ini mengurangkan risiko asap dan pencucuhan yang disebabkan oleh elektrolit cecair, menjadikan bateri keadaan pepejal lebih sesuai untuk aplikasi seperti kenderaan elektrik bateri (BEV) dan sistem penyimpanan tenaga berskala besar (ESS).
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penggunaan bateri boleh dicas semula berasaskan litium telah meningkat dengan penggunaan BEV yang semakin meningkat. Walau bagaimanapun, LIB konvensional masih menghadapi cabaran dalam bidang seperti keselamatan, jarak memandu dan ketahanan. Akibatnya, jangkaan untuk bateri generasi akan datang adalah tinggi, dan pembangunan ke arah pelaksanaan praktikal sedang giat dijalankan oleh kedua-dua pembuat kereta dan pengeluar bateri.
Komposisi Bateri Keadaan Pepejal
Struktur bateri keadaan pepejal (SSB) digambarkan dalam rajah di sebelah kanan.
Tidak seperti LIB konvensional, SSB menggunakan elektrolit pepejal untuk mengalirkan ion dan bukannya pemisah polimer dan elektrolit cecair antara katod dan anod.
Sama seperti LIB, katod dalam SSB terdiri daripada bahan oksida logam peralihan litium dan bahan tambahan konduktif. Selain itu, elektrolit pepejal dimasukkan ke dalam struktur elektrod.
Untuk anod, manakala bahan karbon biasanya digunakan dalam LIB, bahan berasaskan silikon baru-baru ini mendapat perhatian kerana keupayaannya untuk menyimpan hampir 10 kali lebih litium daripada karbon. Akibatnya, penyelidikan mengenai anod silikon sedang giat dijalankan.
Memandangkan bateri keadaan pepejal menggunakan litium sama seperti LIB, pembuatan di bawah persekitaran terpencil udara adalah penting untuk mengelakkan degradasi daripada kelembapan atau pendedahan udara.
Nota Bateri Keadaan Pepejal
Penyelidikan dan pembangunan sel bateri boleh dicas semula--reka bentuk untuk kegunaan berulang--sedang maju untuk menyokong sumber kuasa untuk kenderaan elektrik bateri (BEV) dan sistem storan tenaga berskala besar (ESS).
Untuk meningkatkan kedua-dua prestasi dan kualiti sel bateri ini, analisis dan penilaian terperinci menggunakan instrumen analisis berprestasi tinggi adalah penting.
Nota Bateri Keadaan Pepejal ini dibuat menggunakan sampel yang disediakan oleh Prof. Atsunori Matsuda dari Jabatan Kejuruteraan Maklumat Elektrik dan Elektronik di Universiti Teknologi Toyohashi. Ia bertujuan untuk menawarkan maklumat rujukan dan penyelesaian yang berpotensi untuk penyelidikan dan pembangunan bateri keadaan pepejal, yang muncul sebagai generasi bateri litium-ion (LIB) akan datang.
Katod
Bahan katod
Bahan aktif bahan katod bagi bateri boleh dicas semula ion litium
Kerajang aluminium (kiri) dan Kerajang aluminium dengan bahan katod (kanan)
Katod bagi bateri ion litium biasa terdiri daripada pengumpul arus, bahan aktif katod, pembantu konduktif, dan pengikat. Kerajang aluminium digunakan untuk pengumpul semasa, dan bahan aktif katod dan pembantu konduktif, buburan pengikat yang diselesaikan dan menguli dengan larutan digunakan pada pengumpul semasa. Rajah kiri menunjukkan pengumpul arus kerajang aluminium sebelum bahan katod digunakan. Rajah di sebelah kanan menunjukkan pengumpul arus kerajang aluminium selepas bahan katod digunakan dan bahagian hitam di tengah kerajang aluminium ialah bahan elektrod yang digunakan.
Serbuk bahan katod (kiri)
Imej SEM bahan katod NMC811 (kanan)
Oksida logam peralihan termasuk litium digunakan untuk bahan aktif katod. Untuk bahan bahan aktif katod, terdapat litium kobalt oksida, NMC ((Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 - nama panggilan daripada singkatan setiap unsur peralihan Ni,Mn,Co) bahan katod sistem terner yang menggantikan sebahagian kobalt dengan nikel dan mangan, dan NCM yang terdiri daripada nikel, kobalt dan aluminium. Ini digunakan untuk bateri untuk kenderaan elektrik seperti kereta. Selain itu, LFP (LiFePO4) yang menggunakan litium besi fosfat sebagai bahan aktif katod sering digunakan Bahan berasaskan fosfat besi terkenal dengan keselamatannya kerana struktur kristalnya kurang berkemungkinan runtuh walaupun semasa pemanasan bateri dalaman, menjadikan pelarian haba kurang berkemungkinan. Ini menjadikan mereka sangat sesuai untuk aplikasi automotif. Selain itu, kerana bahan mentah besi adalah lebih murah daripada logam peralihan lain, ia adalah berfaedah dari segi kos pengeluaran. Setiap bahan katod mempunyai ciri unik dan digunakan mengikut tujuan.
Struktur kristal bahan katod
Struktur Garam Batu Berlapis NMC/NCA (kiri)
LFP Olivine Structure (kanan)
rujuk kepada:
J.Appl.Cryst.(2011).44,1272-1276
Setiap bahan aktif katod mempunyai kapasiti teori iaitu penukaran isipadu litium kepada cas elektrik. Walau bagaimanapun, pengoptimuman kepada kapasiti maksimum belum dilaksanakan. Pembangunan bahan katod yang membolehkan kapasiti lebih tinggi terus digalakkan. Dalam penyelidikan dan pembangunan, badan penggantian setiap logam peralihan dan bahan dengan isipadu Li yang berubah telah diperiksa.
Dalam penilaian untuk penyelidikan dan pembangunan, pelbagai analisis diperlukan bersama-sama ciri bateri, seperti kestabilan struktur kristal yang disertai dengan tindak balas pemasukan dan pengekstrakan Li, dan ketebalan & kompaun filem salutan permukaan.
| Bahan katod | Purata voltan [V] | Kapasiti Teori [mAh/g] | Kapasiti Sebenar [mAh/g] | Ciri-ciri kitaran | Ciri |
|---|---|---|---|---|---|
| LiCoO2 | 3.7 | 274 | 148 | 500 ~ 1,000 | Bahan mentah yang mahal/Kestabilan terma yang agak rendah |
| NMC | 3.6 | 280 | 160 | 1,000 ~ 2,000 | Perubahan yang berpotensi berlaku secara beransur-ansur |
| NCA | 3.6 | 279 | 199 | 500 ~ 1,000 | Ketumpatan tenaga tinggi/Relatif bertolak ansur dengan suhu rendah |
| LiFePO4 | 3.2 | 170 | 165 | 1,000 ~ 2,000 | Bahan mentah yang lebih murah/Perubahan potensi rata/Kestabilan yang agak tinggi |
Kerajang pengumpul arus katod
Kerajang aluminium digunakan sebagai bahan terbaik untuk pengumpul arus katod untuk memegang bahan aktif katod dan memindahkan elektron ke bahan aktif katod untuk menggunakan arus elektrik.
Kerajang aluminium ialah bahan yang sangat tahan kakisan dan konduktif bebas daripada doping ion litium. Juga, permukaan ditutup dengan filem oksida semula jadi dan semasa mengecas fluorida aluminium tahan kakisan yang lebih tinggi terbentuk di permukaan, membolehkan arus elektrik yang besar.
Contoh analisis bahan katod
Penilaian struktur bahan aktif katod
SEM Imej keratan rentas zarah katod
Bahan aktif katod terdiri daripada zarah sekunder sfera.
Saiz zarah primer berbeza dari beberapa puluh nm dan beberapa ratus nm, bergantung kepada bahan aktif. Bahan aktif katod adalah hasil daripada bahan ini tersinter ke dalam sfera. Bahan aktif katod yang mengandungi litium ekstrak litium semasa pengecasan, dan ion litium kembali dari anod ke kedudukan kekisi kristal asal semasa nyahcas. Walau bagaimanapun, kadangkala, ion litium tidak kembali ke kedudukan kekisi kristal asal kerana pelbagai faktor seperti pengecasan berlebihan untuk membuat struktur yang berbeza. Penilaian terhadap perubahan struktur ini juga merupakan analisis penting untuk menentukan mekanisme kemerosotan prestasi bateri dan tahap kemerosotan. Untuk analisis struktur, perubahan struktur tempatan dianalisis oleh Mikroskop Elektron Transmisi (TEM), di samping memahami struktur purata oleh XRD dan penilaian oleh anjakan Raman. Contoh berikut ialah memahami perubahan struktur kristal daripada penilaian oleh Raman yang dipasang pada SEM dan imej pembelauan elektron dan resolusi atom dari kawasan yang sangat kecil menggunakan TEM. Kes lain ialah analisis kelakuan litium semasa mengecas dan menunaikan menggunakan NMR keadaan pepejal.
Rajah berikut menunjukkan contoh analisis perubahan struktur bahan aktif katod mengikut kadar pengecasan, menggunakan spektroskopi Raman dalam SEM, oleh sistem gabungan SEM-EDS-Raman. Spektrum Raman menangkap perubahan struktur bahan aktif katod, dalam keadaan tidak dicas, 50% SOC, 100% SOC, dan dicas berlebihan, yang tidak ditangkap oleh EDS. Dengan spektrum Raman, perubahan getaran menegak dan mendatar antara oksigen-oksigen dalam struktur kristal apabila Li diekstrak dengan mengecas, dinyatakan dalam Rama Shift apabila panjang gelombang beralih terhadap cahaya laser. Spektrum Raman menunjukkan Anjakan Raman sebagai anjakan dalam panjang gelombang berbanding cahaya laser, yang mewakili perubahan dalam getaran membujur dan melintang antara oksigen dan oksigen dalam struktur kristal apabila Li diekstrak melalui proses pengecasan.
Contoh ihsan:
Prof Atsunori Matsuda
Jabatan Kejuruteraan Maklumat Elektrik dan Elektronik
Universiti Teknologi Toyohashi
Rajah di bawah menunjukkan corak pembelauan elektron berhampiran permukaan zarah bahan katod menggunakan TEM. Oleh kerana corak pembelauan elektron yang berbeza diperoleh pada permukaan dan bahagian dalam katod, diketahui bahawa strukturnya berbeza. Apabila pembelauan elektron tempatan diperlukan, Pembelauan Elektron Rasuk Nano (NBD) digunakan. Kaedah NBD mendedahkan bahawa corak difraksi diambil dari arah [11-20] struktur garam batu berlapis di dalam zarah pada kedudukan analisis "1". Sebaliknya, pada permukaan pada kedudukan analisis "2", struktur corak pembelauan elektron yang berbeza daripada kedudukan analisis "1" dapat dilihat.
Corak NBD diperolehi daripada permukaan dan dalam zarah
Rajah di bawah menunjukkan keputusan orientasi hablur dan analisis struktur hablur zarah dalam bahan aktif katod menggunakan Pembelauan Elektron Precession (PED). PED ialah kaedah pembelauan elektron untuk mendapatkan corak pembelauan elektron dengan kesan pembelauan kurang dinamik dengan mendahului pancaran elektron tuju di bawah sudut kecondongan tertentu（berkenaan dengan paksi optik). Daripada pembelauan elektron yang diperolehi pada setiap titik semasa mengimbas pancaran elektron, (a) peta orientasi dan (b) peta pemisahan fasa boleh dibuat.
Peta orientasi kristal zarah bahan aktif katod
Diwarnakan mengikut orientasi kristal zarah
Peta Fasa zarah bahan aktif katod
Perbezaan warna permukaan dan struktur dalam
Merah: Struktur garam batu berlapis, Hijau: Struktur garam batu kubik
Rajah di bawah menunjukkan contoh permukaan zarah bahan aktif katod yang diperhatikan sebelum dan selepas mengecas/menyahcas menggunakan kaedah cerapan HAADF-STEM resolusi atom. Lapisan triatomik pada permukaan elektrod zarah bahan aktif telah berubah sejak sebelum mengecas/menyahcas. Tetapi hampir tiada bintik-bintik terang atom kelihatan di tapak yang diduduki oleh litium dan oksigen, yang terletak di dalam bingkai merah. Memang betul kaedah STEM-HADAF tidak menunjukkan apa-apa di tapak litium kerana unsur cahaya sukar dilihat. Sebaliknya, selepas mengecas dan menyahcas, bintik-bintik terang atom kelihatan di tapak yang diduduki litium dalam bingkai merah. Titik terang ini mencerminkan fenomena (pencampuran kation) yang logam peralihan sebatian masuk ke dalam tapak litium.
Sebelum mengecas / menyahcas
Selepas mengecas / menyahcas
struktur NMC
rujuk kepada:
J.Appl.Cryst.(2011).44,1272-1276
7NMR keadaan pepejal Li juga merupakan kaedah yang berkesan untuk analisis struktur bahan aktif katod. NMR keadaan pepejal boleh memerhati litium dalam struktur kristal keseluruhan sampel. Ia juga serasi dengan kaedah pembelauan sinar-X, dan analisis adalah tambahan antara satu sama lain. Di samping itu, NMR boleh menyokong kuantifikasi perubahan struktur minit dalam keputusan TEM, iaitu pemerhatian dan analisis mikroskopik.
Dalam spektrum litium bahan aktif katod, ciri ciri ialah meluaskan spektrum melebihi beberapa ribu ppm disebabkan oleh interaksi paramagnet antara logam peralihan (TM) dan litium. Probe keadaan pepejal berdiameter 3.2 mm atau 4 mm (magic angle spinning) MAS (magic angle spinning), yang biasa digunakan, tidak menghasilkan spektrum yang baik disebabkan oleh jalur sisi berputar (SSB) yang disebabkan oleh julat pengujaan dan putaran sampel yang perlahan. Walau bagaimanapun, dengan probe MAS ultra-laju dengan diameter 1 mm atau kurang, spektrum boleh diperolehi dengan SSB dialihkan daripada puncak asal (Rajah 1). Tambahan pula, 7Spektrum Li tanpa SSB boleh diperolehi dengan menggabungkan dengan kaedah pengukuran MATPASS yang baru dibangunkan (Rajah 2).
Rajah 2 di bawah menunjukkan contoh 7Spektrum Li MATPASS diperoleh semasa mengecas dan menunaikan bahan aktif katod berlapis litium yang kaya Li1.2Ni0.2Mn0.6O2. Empat puncak utama diperhatikan dalam keadaan #1 apabila tidak dicas. Nilai anjakan NMR 0 hingga 1000ppm dalam spektrum dikaitkan dengan litium dalam lapisan litium dalam struktur kristal, dan 1000 hingga 2000ppm kepada litium (LiTM) dalam lapisan logam peralihan. Di samping itu, puncak muncul pada kedudukan yang berbeza apabila logam peralihan berhampiran litium dalam struktur kristal adalah "Mn sahaja" dan apabila "Mn digantikan oleh Ni". Isyarat yang berkaitan dengan litium berkurangan apabila litium dikeluarkan daripada struktur dengan pengecasan daripada #2 hingga #5, dan kemudian pulih pada #7 selepas dilepaskan apabila litium kembali ke struktur. Dengan NMR keadaan pepejal, litium yang meninggalkan struktur semasa pengecasan dan lokasi struktur apabila litium kembali semasa nyahcas boleh diperhatikan daripada perubahan spektrum yang berkaitan dengan pengecasan dan nyahcas. Tingkah laku litium yang dikaitkan dengan kemerosotan struktur boleh dianalisis.
Gambar 1: 7Li Spektrum NMR keadaan pepejal pergantungan frekuensi MAS
Gambar 2: 7Spektrum Li MATPASS memantulkan litium dalam struktur bahan aktif katod semasa mengecas dan menyahcas
rujuk kepada: Laporan Saintifik (2020) 10 : 10048
Anod
Bahan Anod
Bahan Aktif Anod Bateri Boleh Dicas Semula Litium Ion
Anod biasa bateri ion litium terdiri daripada pengumpul arus, bahan aktif anod, pembantu konduktif, dan biner. Kerajang kuprum digunakan sebagai pengumpul arus dan sama seperti katod, bahan aktif anod, pembantu konduktif, dan buburan yang pengikat diuli dengan larutan, digunakan di atas pengumpul semasa.
Buburan yang merupakan pelbagai bahan yang diuli dengan larutan
Pengumpul arus anod dengan buburan digunakan pada kerajang kuprum
Imej SEM keratan rentas anod grafit
Gambarajah skematik grafit dengan ion litium dimasukkan
Secara amnya, karbon grafit digunakan untuk bahan aktif anod. Anod grafit dicas oleh litium dari katod memasuki struktur berlapis (interkalasi). Kapasiti teori anod grafit ialah 372 mAh/g. Ia tidak tinggi berbanding dengan kapasiti logam litium 3860 mAh/g, anod grafit adalah sangat selamat dan digunakan secara meluas.
Sebaliknya, penggunaan anod silikon (4,200 mAh/g) digalakkan dalam aktiviti penyelidikan dan pembangunan bahan aktif anod. Ia menarik perhatian orang ramai sebagai bahan yang boleh digunakan untuk anod karbon kerana kapasiti teori yang tinggi dan sumber yang banyak. Walaupun ia mempunyai isu ciri kitaran akibat perubahan volum semasa mengecas dan menyahcas, penggunaannya pada bateri keadaan pepejal dijangka.
Kerajang pengumpul semasa untuk anod
Sama seperti pengumpul arus katod, kerajang kuprum yang digunakan untuk anod mempunyai ciri rintangan larutan elektrolit dan rintangan pengoksidaan, dan digunakan sebagai bahan tahan kakisan. Potensi operasi anod menggunakan grafit sebagai bahan aktif berjulat dari 0.1 hingga 1.5V vs Li+/Li berdekatan. Kerajang aluminium lebih murah dan berwajaran ringan, tetapi ia membentuk aloi Li-Al pada kira-kira 0.6 V vs Li+/Li apabila digunakan untuk anod, sekali gus membawa kepada kemerosotan kapasiti bateri. Oleh itu, kerajang kuprum yang merupakan rintangan larutan elektrolit dan rintangan pengoksidaan dan kos yang agak rendah digunakan.
Contoh Analisis Bahan Anod
Penilaian Struktur Bahan Anod Berasaskan Silikon
Silikon juga dianggap sebagai bahan aktif anod yang menjanjikan untuk bateri keadaan pepejal.
Walau bagaimanapun, anod silikon menghadapi beberapa cabaran, seperti pengembangan volum disebabkan oleh penyisipan dan pengekstrakan litium, serta kehilangan kapasiti yang tidak dapat dipulihkan.
Tambahan pula, tingkah laku litium dalam zarah silikon individu masih memerlukan penjelasan.
Untuk menilai kemerosotan anod, pengukuran ciri elektrik--termasuk rintangan dalaman--dilakukan, bersama-sama dengan pemerhatian morfologi dan pelbagai kaedah analisis.
Untuk pemerhatian morfologi, SEM biasanya digunakan untuk menganalisis lapisan anod dan zarah silikon semasa kitaran pengecasan dan nyahcas. (Lihat rajah di bawah.)
Imej SEM keratan rentas anod silikon dengan retakan berlaku selepas pengecasan/penyahcasan.
Zarah silikon anod silikon selepas dicas (imej SEM dan peta unsur EDS)
Contoh ihsan:
Prof Atsunori Matsuda
Jabatan Kejuruteraan Maklumat Elektrik dan Elektronik
Universiti Teknologi Toyohashi
Pemerhatian semasa mengecas dan menyahcas memberikan maklumat penting untuk memahami mekanisme asas. Walau bagaimanapun, menyediakan sampel keratan rentas pada setiap keadaan caj adalah tugas yang memakan masa dan intensif buruh.
Selain itu, memandangkan pemerhatian berterusan terhadap satu zarah tidak dapat dilaksanakan, tingkah laku mesti disimpulkan daripada berbilang titik data eksperimen.
Baru-baru ini, terdapat peningkatan permintaan untuk kaedah yang membenarkan pemerhatian langsung keadaan bahan semasa pengecasan dan pelepasan sebenar.
Contoh Analisis Bahan Anod
Pemerhatian In-situ Anod Silikon semasa Pengecasan dan Penyahcasan
Aliran kerja berikut menunjukkan sistem yang membolehkan pemerhatian SEM semasa mengecas dan menunaikan (lihat Rajah).
Sistem ini mengurangkan dengan ketara bilangan langkah yang diperlukan untuk penyediaan keratan rentas pada setiap keadaan cas/nyahcas.
Ia juga membolehkan pemerhatian diselesaikan masa bagi zarah yang sama semasa ia berubah, bersama-sama dengan analisis taburan litium dalam zarah silikon menggunakan Gather-X, sistem EDS yang mampu mengesan litium.
Tambahan pula, keadaan kimia silikon pada pelbagai keadaan cas boleh dianalisis menggunakan SXES, yang memberikan pandangan terperinci tentang perubahan kimia yang berlaku semasa proses pengecasan.
Rajah di bawah menggambarkan aliran kerja dan contoh pemerhatian bagi bateri keadaan pepejal yang keratan rentas menggunakan CROSS SECTION POLISHER™(CP), dengan pemerhatian in-situ dilakukan menggunakan SEM.
Pemerhatian pengecasan/penyahcasan in-situ dimungkinkan dengan menggunakan pemegang serasi CP khusus dan pangkalan pemegang yang direka untuk penyepaduan SEM.
Pemegang sel CP pengecas/penyahcasan tekanan susun yang dibangunkan khas membenarkan pemindahan tanpa pendedahan udara selepas pengilangan, kerana ia dilengkapi dengan penutup untuk pemindahan terpencil udara dari CP ke SEM. Selain itu, apabila digabungkan dengan pangkalan terminal pengecasan/penyahcasan, ia membolehkan pengecasan dan pelepasan dalam SEM.
Alat khusus ini menghapuskan keperluan untuk pengilangan keratan rentas pada setiap langkah pengecasan/penyahcasan, membolehkan pemerhatian dan analisis berterusan semasa mengecas dan menyahcas dalam SEM.
Rajah di bawah menunjukkan contoh analisis EDS semasa pemerhatian SEM in-situ. Ciri X-ray silikon yang digunakan dalam anod dan litium berdekatan boleh dikesan. Walau bagaimanapun, terima kasih kepada fungsi pemisahan bentuk gelombang Gather-X, puncak bertindih Li-K dan Si-L boleh dipisahkan dengan jelas. Akibatnya, litium yang diperkenalkan dan diedarkan dalam silikon boleh diperhatikan dalam pemetaan unsur.
Selain itu, fungsi main balik pengesanan unsur EDS membolehkan visualisasi integrasi dari semasa ke semasa, membolehkan penangkapan terperinci tingkah laku litium.
Garis Li-K (hijau) dan garis Si-L (biru) dipisahkan oleh pemisahan bentuk gelombang Gather-X
Pemerhatian SEM dan analisis EDS semasa mengecas dan menunaikan
Visualisasi tingkah laku litium dengan imej bertindih menggunakan fungsi main balik
Contoh ihsan:
Prof Atsunori Matsuda
Jabatan Kejuruteraan Maklumat Elektrik dan Elektronik
Universiti Teknologi Toyohashi
Contoh alat tebukan untuk pemerhatian keratan rentas yang dibuat oleh Nogami Giken Co., Ltd.
Sebaliknya, elektrolit pepejal dalam bateri keadaan pepejal terbentuk dengan menekan zarah bersaiz beberapa nanometer, memberikan ciri rapuh. Mengendalikan bahan rapuh ini semasa prarawatan sebelum pengilangan CP adalah mencabar.
Untuk prarawatan, alat penebuk diperlukan untuk memotong bahan rapuh kepada bentuk yang telah ditetapkan dengan keretakan yang minimum. Di sini, kami menggunakan alat penebuk yang dikeluarkan oleh Nogami Giken Co., Ltd.
Untuk pengilangan keratan rentas, sampel ditebuk ke dalam segi empat sama 5 mm menggunakan alat penebuk dan kemudian dipasang pada pemegang CP pengecas/penyahcasan tekanan susun. Pengilangan CP dilakukan pada sampel persegi 5 mm sambil menyejukkannya kepada -120°C dan menggunakan tekanan susun seragam 50 MPa.
Filem yang memperkenalkan pemerhatian pengecasan dan pelepasan in-situ・sistem analisis tersedia.
Klik butang main dalam kotak di atas dan filem bermula. (3 min 33 saat).
Aplikasi pada bahan anod
Elektrolit pepejal
Elektrolit pepejal
Elektrolit pepejal bateri keadaan pepejal
Elektrolit pepejal berfungsi sebagai larutan elektrolit--mengangkut ion litium antara katod dan anod, serupa dengan elektrolit cecair dalam LIB--dan sebagai pemisah untuk mengelakkan litar pintas. Walaupun ia adalah pepejal, ia mempamerkan kekonduksian ionik yang tinggi dan mempunyai tingkap kestabilan elektrokimia yang luas. Elektrolit organik konvensional mula terurai apabila voltan bateri melebihi sekitar 4 V, mengehadkan voltan atas bateri. Sebaliknya, elektrolit pepejal boleh membolehkan penggunaan bahan katod dengan voltan sehingga 5 V kerana tingkap kestabilannya yang lebih luas. Selain itu, tidak seperti elektrolit cecair, anion selain daripada ion litium tidak menjejaskan kekonduksian dalam elektrolit pepejal dengan ketara, mengurangkan tindak balas sampingan. Akibatnya, elektrolit pepejal dijangka menyumbang kepada jangka hayat bateri yang lebih lama.
Arus perdana semasa dalam penyelidikan dan pembangunan elektrolit pepejal memberi tumpuan kepada dua jenis bahan: oksida dan sulfida. Oksida mempunyai kekonduksian ionik yang lebih rendah berbanding dengan sulfida tetapi stabil di udara. Sulfida, sebaliknya, menimbulkan risiko seperti penjanaan gas toksik seperti hidrogen sulfida, tetapi ia lembut dan membantu menyekat rintangan antara muka. Elektrolit oksida pepejal dijangka digunakan dalam peranti boleh pakai dan bekalan kuasa IoT, di mana keselamatan dan ketahanan terhadap perubahan suhu adalah penting. Elektrolit sulfida pepejal amat dinanti-nantikan untuk bateri automotif yang memerlukan arus besar, berkat kekonduksian ionik yang tinggi dan rintangan antara muka yang rendah.
Elektrolit Oksida Pepejal : LLTO
rujuk kepada:J.Appl.Cryst.(2011).44,1272-1276
Pepejal Sulfida Elektrolit : Li3PS4
rujuk kepada:J.Appl.Cryst.(2011).44,1272-1276
Contoh analisis elektrolit pepejal
Kekonduksian ion dan pekali resapan
Terdapat perbezaan asas antara elektrolit pepejal dan larutan elektrolit cecair. Kekonduksian ionik mereka juga berbeza dengan ketara. Dalam larutan elektrolit, ion boleh bergerak bebas tanpa sekatan. Sebaliknya, ion dalam elektrolit pepejal digabungkan dengan ion sekeliling dan tidak boleh bergerak melainkan pengikatan diatasi oleh tenaga haba.
Oleh itu, elektrolit pepejal secara amnya menunjukkan kekonduksian ionik yang lebih rendah berbanding dengan elektrolit cecair. Selain itu, untuk ion berhijrah dalam pepejal, kekosongan atau kecacatan--tapak dalam struktur kristal di mana ion tiada--adalah perlu. Ion bergerak ke kecacatan berdekatan yang difasilitasi oleh tenaga haba, jadi semakin besar bilangan kecacatan dalam kristal, semakin tinggi kekonduksian ionik.
Untuk elektrolit pepejal yang digunakan dalam bateri keadaan pepejal, mencapai kekonduksian ionik yang tinggi setanding dengan elektrolit cecair adalah sangat diingini. Akibatnya, penyelidikan dan pembangunan yang meluas memberi tumpuan kepada pelbagai komposisi dan struktur bahan, terutamanya untuk sulfida dan oksida.
Beberapa kaedah wujud untuk menilai kekonduksian ionik. Kaedah impedans AC mengukur rintangan dan ketebalan sampel. Resonans Magnetik Nuklear (NMR) boleh menilai pekali resapan sendiri dan tenaga pengaktifan ion. Teknik lain termasuk spektroskopi serapan sinar-X dengan analisis mikrostruktur luas menggunakan sinaran sinkrotron, dan kaedah serakan neutron. Antaranya, NMR adalah berfaedah untuk pengukuran peringkat makmal. Sistem NMR JEOL menampilkan probe khusus yang mampu mengukur proses resapan perlahan, dengan kepekaan turun kepada pekali resapan pada urutan 10-14 m²/s.
Di bawah ialah contoh pengukuran tenaga pengaktifan untuk serbuk dan sampel kristal tunggal elektrolit pepejal oksida LLTZO. Angka kiri menunjukkan keamatan isyarat NMR yang diplotkan terhadap kecerunan medan magnet untuk sampel kristal tunggal, dari mana pekali resapan sendiri ion litium (D) diperoleh. Rajah yang betul menunjukkan plot Arrhenius D pada suhu yang berbeza, dari mana tenaga pengaktifan untuk resapan ion diperolehi.
Kebergantungan suhu plot resapan (kiri) dan tenaga pengaktifan pergerakan resapan ion (periuk Arrhenius bagi pekali resapan D)(kanan)
Filem yang memperkenalkan analisis elektrolit pepejal oleh NMR tersedia.
Klik butang main dalam kotak di atas dan filem bermula. (4 min 39 saat).
Analisis Elektrolit Pepejal
Analisis gas berkembang oleh TG-MS
Elektrolit sulfida pepejal yang digunakan dalam bateri keadaan pepejal mengalami hidrolisis apabila terdedah kepada jumlah surih lembapan, menghasilkan hidrogen sulfida dan gas lain. Memahami gas surih yang berkembang daripada bahan bateri semasa mengecas dan menyahcas sangat menyumbang kepada peningkatan kualiti dan keselamatan elektrolit keadaan pepejal.
Analisis gas berkembang melibatkan pengukuran spesies gas yang dibebaskan dengan memanaskan komponen baki dalam bahan pepejal. Teknik yang paling biasa digunakan ialah TG-MS, yang menggabungkan termogravimetri (TG) dan spektrometri jisim (MS).
Dalam TG-MS, sampel dipanaskan dalam penganalisis termogravimetrik untuk mengubah suhunya sambil memerhati perubahan berat dan tindak balas endotermik/eksotermik secara serentak. Sementara itu, komponen gas yang dibebaskan daripada sampel dianalisis oleh MS dalam hampir masa nyata.
Untuk analisis data MS, plot 2D dengan jisim dan masa sebagai paksi mendatar dan keamatan sebagai paksi menegak membolehkan analisis komponen gas yang dihasilkan dari semasa ke semasa (Rajah 1). Dalam pengukuran TG, paksi mendatar sepadan dengan suhu. Dengan menggabungkan kedua-dua kaedah ini, TG-MS boleh menentukan suhu di mana mana-mana gas bagi jisim tertentu berkembang. Dalam contoh ini, elektrolit pepejal telah dianalisis oleh TG-MS untuk mengkaji kedua-dua perubahan beratnya dan spesies gas yang berkembang (Rajah 2).
Rajah 1: Data MS (kiri) dan data TG (kanan)
Rajah 2: Intensiti mengikut suhu mengikut jisim (kiri) dan data digabungkan dengan TG (kanan)
Contoh ihsan:
Prof Atsunori Matsuda
Jabatan Kejuruteraan Maklumat Elektrik dan Elektronik
Universiti Teknologi Toyohashi
Item Analisis Bateri Lithium Ion (LIB) dan Instrumen Sepadan JEOL
Jadual di bawah menunjukkan instrumen JEOL untuk aplikasi mengikut tujuan analisis/penilaian. Untuk maklumat lanjut tentang aplikasi mereka, sila rujuk katalog dan bahan teknikal untuk setiap instrumen atau hubungi JEOL.
Kepentingan pemindahan pengasingan udara dalam analisis bateri
Bahan yang digunakan dalam bateri menggunakan litium yang sangat reaktif. Risiko pengubahsuaian wujud apabila terdedah kepada udara. Persekitaran pengasingan udara seperti bilik kering diperlukan semasa pembuatan, dan analisis bahan memerlukan penyediaan/pemerhatian/analisis spesimen dalam persekitaran terpencil udara. Instrumen dan sistem terpencil udara yang dihubungkan antara instrumen analisis yang berbeza adalah berkesan untuk bateri ion litium.
Barisan instrumen JEOL mewujudkan sistem yang membenarkan pemprosesan, pemerhatian dan analisis dalam persekitaran terpencil udara.
Klik butang di bawah untuk kembali ke TOP Bateri