Analizar los Batería Li-ion Usando Microscopia Atómica Combinada de la Fuerza y la Microscopia de Raman

Por AZoNano

Índice

Introducción
Métodos Experimentales
Resultados
Conclusiones
Sobre NT-MDT

Introducción

Las baterías de Litio, una fuente de energía para muchos dispositivos portátiles tales como teléfonos móviles, las computadoras portátiles, las videocámaras, los Etc. también se utilizan en vehículos eléctricos y aplicaciones aeroespaciales y militares. El revelado de las baterías de litio está avance rápidamente.

Debido a una vida más larga, a un tipo más inferior de la autodescarga, y a la densidad de una energía más alta comparada a otras baterías recargables, junto con una rentabilidad más alta y una toxicidad más pequeña, acodó el óxido LiCoO del cobalto del litio2 (la Fig. 1) se utiliza como cátodo para las aplicaciones comerciales.

Cuadro 1. estructura Acodada2 de LiCoO.

La intercalación reversible ordinaria del litio de la batería de litio no defectiva es dominante a la batería recargable de Li. Sin Embargo, efectos del ciclaje prolongado o de la actitud que salva prolongada una amenaza para el funcionamiento en el curso del tiempo. Por Lo Tanto, para mejorar el curso de la vida de baterías, la distribución de áreas degradadas en la superficie de electrodos positivos debe ser entendida.

Métodos Experimentales

Los métodos más valiosos para la caracterización estructural de los electrodos en baterías de litio recargables son espectroscopia de Raman y microscopia atómica de la fuerza (AFM). Los Resultados de una caracterización2 del cátodo de LiCoO usando el AFM y de las técnicas de Raman en el instrumento de los Espectros de NTEGRA (NT-MDT) integrado con el espectrómetro de Raman del inVia de Renishaw se presentan. El registro Simultáneo del AFM y las imágenes de Raman de la misma área de la muestra son permitidos por el instrumento.

Cuadro 2. Estructura de la Batería de ión de litio

El Cuadro 2 muestra la estructura típica de una célula cilíndrica recargable de ión de litio. El ánodo, el cátodo, y el electrólito son los tres componentes funcionales primarios de una batería de ión de litio. El material Carbonáceo (el grafito es el más popular) se utiliza para el ánodo, el cátodo se hace de LiCoO2, y la sal del litio en un disolvente orgánico se utiliza como el electrólito.

Las células de ión de litio individuales de diversas baterías del litio de la computadora portátil fueron examinadas. La primera batería, usada por cerca de 3 años (cerca de 1200 ciclos de cargar-recarga), tenía solamente cerca de 25% de su capacidad nominal, y era el ~30% cargado. La segunda batería era nueva y el ~65% cargaron.

Cuadro 3. topografía del AFM (a), (b), fase (c), (d), magnitud (e), (f) y (G) óptico de las imágenes, (h) de la superficie de los cátodos2 de LiCoO de la batería usada y del nuevo. Retratos (a), (c) altas tosquedad de la pieza de convicción y estructura de grano que es típica para las baterías usadas. Talla de todas las imágenes: μm 50x50.

Resultados

El Cuadro 3 muestra la morfología superficial del cátodo2 de LiCoO, según lo determinado por el AFM. La Información sobre la talla, la dimensión de una variable y la orientación es proporcionada por topografía del AFM. Los constantes del cedazo de cátodos se saben para ser una función de la concentración del litio en el material (LiCoO1-x2). Debido a esto, el cátodo de la nueva batería es mucho más liso que el que está de la batería usada - la extracción de Li ha hecho la célula cristalina del material usado del cátodo desplegarse, para poder observar los microcrystals individuales en la superficie.

La Fase y la magnitud voladiza de la oscilación también se registran durante el experimento del AFM. Éstos pueden proporcionar a datos adicionales a la exploración de la topografía - por ejemplo, las mediciones de la fase permiten una definición más sostenida de los bordes del grano, pues no son afectadas por diferencias de la altura. Las imágenes Ópticas proporcionan a datos complementarios, aunque no sea posible correlacionar las imágenes ópticas y del AFM totalmente.

Los espectros de Raman del cátodo2 de LiCoO son relacionados en la historia electroquímica. Los diversos espectros observados en Fig. 4 son de puntas en el cátodo en diversos estados de la degradación.

Cuadro 4. espectros de Raman del cátodo: LiCoO2 (rojo), LiCoO delithiated2 (verde), y Arrullan34 (azul). Las bandas resueltas se pueden relacionar con la distorsión estructural o el cambio superficial durante la extracción de Li.

La representación irrducible total para los modos vibratorios de LiCoO2 se puede encontrar por análisis del grupo de factor para ser A+1g 2 A2u + Eg + 2 E.u Los modos del gerade son active de Raman, y los modos del ungerade son active del IR. En los espectros de Raman, las bandas solamente1g de A yg de E deben ser observadas. En este experimento, dos bandas fuertes se observan en 472 y 579 cm- 1 con una relación de transformación del 1:3, que de la intensidad corresponden a las vibraciones del oxígeno que implican v2 (e)g, el O-Co-o que dobla, y v1 (a)1g, Co-o que estira modos, respectivamente.

Cuadro 5. dislocaciones Atómicas de los modos Raman-Activos de LiCoO2

Algunos cambios se consideran en los espectros de Raman cuando el litio se extrae durante el proceso que carga (Línea Verde en Fig. 4). Los picos de la cañería maestra del LiCoO2 en los 472cm-1 y 579 cm-1 experimentan una pequeña rotación. Las bandas 515cm-1 y 674cm-1 aumentan de intensidad - éstos pueden ser destinados a los modos vibratorios de Lio2 y Arrullar34 respectivamente.

Podemos determinar el estado de diversas regiones del cátodo de la batería de ión de litio de sus espectros de Raman, usando los picos característicos siguientes:

  1. Dos picos intensos, 472 y 579 cm-1 caracterizan las áreas del cátodo en el estado intercalado (LiCoO2).
  2. Las intensidades Comparables de las bandas de Raman, en 579 y 674 cm-1, caracterizan el cátodo delithiated, (Li1-xCoO2).
  3. Los picos Fuertes en 674 cm-1 y desaparición de picos en 579 cm-1 caracterizan las áreas degradadas del cátodo.

El Cuadro 6 muestra el Raman bidimensional y correspondencias del AFM del mismo lugar del cátodo quitado de la nueva batería. Las áreas más altas en la topografía del AFM corresponden al estado intercalado del cátodo. El Aproximadamente 60% del área del cátodo es relevante al material delithiated. Esto está de acuerdo con el nivel de la carga de la batería, el aproximadamente 65%.

Cuadro 6. imágenes del AFM y de Raman del mismo lugar del nuevo cátodo: (a) Altura de la topografía del AFM, (b) fase, (c) magnitud; (d) Correspondencia de la intensidad de Raman con el pico de 579-1 cm, (e) correspondencia de la intensidad de Raman usando el pico de 674-1 cm; (f) correspondencia química (el color rojo corresponde al LiCoO2, color verde es LiCoO delithiated2 (Arrulle34 están ausente en este cátodo, porque la intensidad del pico en 674 cm-1 nunca es espesa sobre la intensidad del pico 579 cm-1); relación de transformación del (G) de intensidades máximas en 579 y 674 cm-1. El color Negro corresponde al cátodo delithiated, color amarillo corresponde al estado intercalado del cátodo. Talla de todas las imágenes: μm 50x50.

En el cátodo quitado de la batería usada, las imágenes de Raman son más complicadas (Fig. 7 AG). Además, también han degradado Arrullan34.

Cuadro 7. imágenes del AFM y de Raman del mismo lugar del cátodo quitado de la batería vieja: (a) Topografía del AFM, (b) fase, (c) magnitud; (d) Correspondencia de la intensidad de Raman usando el pico de 579-1 cm, (e) correspondencia de la intensidad de Raman usando el pico de 674-1 cm; (f) relación de transformación de intensidades máximas en 579 y 674 cm-1. El color Negro corresponde al Arrullar34, porque tales áreas son caracterizadas por un pico fuerte en 674 cm-1 y el pico muy débil en 579 cm-1; correspondencia química del (G) (el color azul corresponde al Arrullar34 , color rojo corresponde a la Talla no degradada2 de LiCoO de todas las imágenes: μm 50x50.

Comparar la topografía del AFM (Fig. 7a) con la correspondencia de Raman (Fig. 7g) revela que la topografía del aplanador con granos más grandes y menos límites de grano está considerada para las áreas degradadas del material del cátodo (fuera de áreas ovaladas) y las piezas no-degradadas del cátodo corresponde a las áreas con una proporción más grande de granos más pequeños y más de límites de grano (mostrados por óvalos en la Fig. 7).

Conclusiones

La importancia de la proyección de imagen correlacionada de AFM-Raman para los estudios del Batería li-ion se muestra en este estudio. La proyección de imagen de Raman permite los procesos de la intercalación del litio y la degradación del cátodo que se caracterizará detalladamente. Las propiedades químicas del cátodo se pueden correlacionar con su topografía por proyección de imagen simultánea del AFM.

Sobre NT-MDT

NT-MDT tiene 550 empleados, incluyendo científicos del Ph.D., muchos de los cuales es arranques de cinta en su campo. La compañía tiene más de 600 instalaciones en 39 países, y ha estado operatorio en el mercado de APM por más de 15 años, logrando la distribución mundial de sus dispositivos. Los clientes de NT-MDT incluyen Universidades y las universidades, los laboratorios, los gobiernos, los centros de investigación y las compañías científicas de todas las tallas en la nanotecnología colocan.

Esta información ha sido originaria, revisada y adaptada de los materiales proporcionados por NT-MDT Co.

Para más información sobre esta fuente, visite por favor NT-MDT Co.

Date Added: Jul 10, 2012 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:36

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