Analyser des Batteries Li-Ion Utilisant la Microscopie Atomique Combinée de Force et la Microscopie de Raman

Par AZoNano

Table des matières

Introduction
Méthodes Expérimentales
Résultats
Conclusions
Au Sujet de NT-MDT

Introduction

Des batteries au lithium, une source d'énergie pour beaucoup d'appareils mobiles tels que des téléphones mobiles, des ordinateurs portables, les caméscopes, Etc. sont également utilisés dans les véhicules électriques et les applications aérospatiales et militaires. Le développement des batteries au lithium avance rapidement.

En Raison d'une plus longue durée de vie, des tarifs inférieurs de décharge spontanée, et d'une densité de plus haute énergie comparée à d'autres batteries rechargeables, avec une rentabilité plus élevée et une plus petite toxicité, a posé l'oxyde LiCoO de cobalt de lithium2 (Fig. 1) est utilisée comme cathode pour des applications commerciales.

Le Schéma 1. structure Posée2 de LiCoO.

L'intercalation réversible normale de lithium de la batterie au lithium non-défectueuse est principale à la batterie rechargeable de Li. Cependant, effets du recyclage prolongé ou de la pose enregistrante prolongée un danger à la performance au cours de le temps. Par Conséquent, pour améliorer la vie des batteries, la distribution des zones dégradées sur la surface des électrodes positives doit être comprise.

Méthodes Expérimentales

Les méthodes les plus précieuses pour la caractérisation structurelle des électrodes dans des batteries au lithium rechargeables sont spectroscopie de Raman et microscopie atomique de force (AFM). Des Résultats d'une caractérisation2 de cathode de LiCoO utilisant l'AFM et des techniques de Raman sur l'instrument des Spectres de NTEGRA (NT-MDT) intégré avec le spectromètre de Raman d'inVia de Renishaw est présentés. On permet l'enregistrement Simultané de l'AFM et les images de Raman de la même zone d'échantillon par l'instrument.

Le Schéma 2. Structure de la Batterie lithium-ion

Le Schéma 2 affiche la structure typique d'une cellule cylindrique rechargeable de lithium-ion. L'anode, la cathode, et l'électrolyte sont les trois composants fonctionnels primaires d'une batterie lithium-ion. Du matériau Carboné (le graphite est le plus populaire) est utilisé pour l'anode, la cathode est effectué à partir de LiCoO2, et du sel de lithium dans un solvant organique est utilisé comme électrolyte.

Les différentes cellules de lithium-ion de différents packs batterie de lithium d'ordinateur portable ont été examinées. Le premier pack batterie, utilisé pendant environ 3 années (environ 1200 cycles charger-redébitants), a eu seulement environ 25% de sa capacité nominale, et était ~30% chargé. La deuxième batterie était neuve et ~65% a chargé.

Le Schéma 3. topographie d'AFM (a), (b), phase (c), (d), grandeur (e), (f) et images optiques (G), (h) de la surface des cathodes2 de LiCoO de la batterie utilisée et du neuf. Illustrations (a), (c) rugosité de document et structure granulaire élevées qui est particulière pour les batteries utilisées. Taille de toutes les images : μm 50x50.

Résultats

Le Schéma 3 affiche la morphologie extérieure de la cathode2 de LiCoO, comme déterminé par l'AFM. Des Informations sur la taille, la forme et l'orientation sont fournies par la topographie d'AFM. Les constantes de réseau des cathodes sont connues pour être un fonctionnement de concentration en lithium dans le matériau (LiCoO1-x2). Pour cette raison, la cathode de la batterie neuve est beaucoup plus lisse que celle de la batterie utilisée - l'extraction de Li a fait augmenter la cellule en cristal du matériau utilisé de cathode, de sorte qu'on puisse observer les différents microcrystals sur la surface.

La Phase et la grandeur en porte-à-faux de vibration sont également enregistrées pendant l'expérience d'AFM. Celles-ci peuvent fournir les informations supplémentaires à l'échographie de topographie - par exemple, les mesures de phase permettent une définition plus forte des arêtes de texture, car elles ne sont pas affectées par des différences de hauteur. Les images Optiques fournissent des données complémentaires, bien qu'il ne soit pas possible de marquer les images optiques et d'AFM complet.

Les spectres de Raman de la cathode2 de LiCoO sont à la charge de l'histoire électrochimique. Les différents spectres observés dans Fig. 4 sont des remarques sur la cathode dans différentes conditions de dégradation.

Le Schéma 4. spectres de Raman de cathode : LiCoO2 (rouge), LiCoO (2 vert) delithiated, et Roucoulement34 (bleu). Les bandes resolved peuvent être associées avec la déformation structurelle ou la modification extérieure pendant l'extraction de Li.

Toute la représentation irrducible pour les modes vibratoires de LiCoO2 peut s'avérer par analyse de groupe de facteur pour être A+1g 2 A2u + Eg + 2 E.u Les modes de gerade sont en activité de Raman, et les modes d'ungerade sont en activité d'IR. En spectres de Raman, les bandes seulement on devrait1g observerg d'A et d'E. Dans cette expérience, on observe deux bandes intenses au cm 472 et 579- 1 avec un taux d'intensité de 1:3, qui correspondent aux vibrations de l'oxygène concernant v2 (e)g, O-Co-o courbant, et v1 (a)1g, des modes d'étirement de Roucoulement, respectivement.

Le Schéma 5. déplacements Atomiques des modes Raman-Actifs de LiCoO2

Quelques changements sont vus des spectres de Raman quand le lithium est extrait pendant le procédé de remplissage (Ligne Verte dans Fig. 4). Les crêtes de canalisation du LiCoO2 au cm-1 472cm et 579-1 subissent un petit décalage. Les bandes 515cm-1 et 674cm-1 augmentent dans l'intensité - ceux-ci peuvent être attribués aux modes vibratoires de Lio2 et du Roucoulement34 respectivement.

Nous pouvons recenser la condition de différentes régions de la cathode de batterie d'ion de lithium de leurs spectres de Raman, utilisant les crêtes caractéristiques suivantes :

  1. Deux crêtes fortes, le cm 472 et 579-1 caractérisent les zones de la cathode dans la condition intercalée (LiCoO2).
  2. Les intensités Comparables des bandes de Raman, au cm 579 et 674-1, caractérise la cathode delithiated, (Li1-xCoO2).
  3. Les crêtes Intenses au cm 674-1 et à la disparition des crêtes au cm 579-1 caractérisent les zones dégradées de la cathode.

Le Schéma 6 affiche le Raman bidimensionnel et des plans d'AFM du même lieu de la cathode retirée du pack batterie neuf. Les zones plus élevées sur la topographie d'AFM correspondent à la condition plus intercalée de la cathode. Approximativement 60% de la zone de cathode est approprié au matériau delithiated. C'est conforme au niveau de charge de la batterie, approximativement 65%.

Le Schéma 6. images d'AFM et de Raman du même lieu de la cathode neuve : (a) Hauteur de topographie d'AFM, (b) phase, (c) grandeur ; (d) Plan d'intensité de Raman avec le cm 579-1 maximal, (e) plan d'intensité de Raman utilisant la crête du cm-1 674 ; (f) plan chimique (la couleur rouge correspond au LiCoO2, couleur verte est LiCoO delithiated2 (le Roucoulement34 sont absent sur cette cathode, parce que l'intensité de la crête au cm 674-1 n'est jamais luxuriante au-dessus de l'intensité du cm de la crête 579-1) ; taux de (G) des intensités maximales au cm 579 et 674-1. La couleur Noire correspond à la cathode delithiated, couleur jaune correspond à la condition intercalée de la cathode. Taille de toutes les images : μm 50x50.

Dans la cathode retirée du pack batterie utilisé, les images de Raman sont plus compliquées (Fig. 7 AG). De plus, elles également ont dégradé le Roucoulement34.

Le Schéma 7. images d'AFM et de Raman du même lieu de la cathode retiré de la vieille batterie : (a) Topographie d'AFM, (b) phase, (c) grandeur ; (d) Plan d'intensité de Raman utilisant le cm 579-1 maximal, (e) plan d'intensité de Raman utilisant la crête du cm-1 674 ; (f) taux des intensités maximales au cm 579 et 674-1. La couleur Noire correspond au Roucoulement34, parce que de telles zones sont caractérisées par une crête intense au cm 674-1 et la crête très faible au cm 579-1 ; plan chimique de (G) (la couleur bleue correspond au Roucoulement34 , couleur rouge correspond à la Taille non dégradée2 de LiCoO de toutes les images : μm 50x50.

Comparer la topographie d'AFM (Fig. 7a) au plan de Raman (Fig. 7g) indique que la topographie de paroir avec de plus grandes textures et moins joints de grain est vue pour des zones dégradées du matériau de cathode (en dehors de des zones ovales) et les pièces non-dégradées de la cathode correspondent aux zones à une plus grande part de plus petites textures et plus des joints de grain (affichés par des ovales dans Fig. 7).

Conclusions

L'importance de la représentation marquée d'AFM-Raman pour des études de Batterie Li-ion est affichée dans cette étude. La représentation de Raman permet les procédés d'intercalation de lithium et la dégradation de la cathode à caractériser en détail. Les propriétés chimiques de la cathode peuvent être marquées avec sa topographie par la représentation simultanée d'AFM.

Au Sujet de NT-MDT

NT-MDT a 550 employés, y compris des scientifiques de Ph.D., dont beaucoup est des amorces dans leur domaine. La compagnie a plus de 600 installations dans 39 pays, et avait fonctionné sur le marché d'APM pendant plus de 15 années, réalisant la distribution mondiale de leurs dispositifs. Les usagers de NT-MDT incluent des Universités et les universités, les laboratoires, les gouvernements, les centres de recherche et les compagnies scientifiques de toutes les tailles en nanotechnologie mettent en place.

Cette information a été originaire, révisée et adaptée des matériaux fournis par NT-MDT Cie.

Pour plus d'informations sur cette source, visitez s'il vous plaît NT-MDT Cie.

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

Last Update: 15. July 2013 15:59

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