Analizzare le Batterie dello Li-Ione Facendo Uso di Microscopia Atomica Combinata della Forza e di Microscopia di Raman

Da AZoNano

Indice

Introduzione
Metodi Sperimentali
Risultati
Conclusioni
Circa NT-MDT

Introduzione

Le Batterie al litio, un'alimentazione per molti dispositivi portatili quali i telefoni cellulari, i computer portatili, le videocamere portatili, Ecc. egualmente sono utilizzati in veicoli elettrici e nelle applicazioni aerospaziali e militari. Lo sviluppo delle batterie al litio sta avanzando rapido.

dovuto vita più lunga, la tariffa più bassa di autoscarica e la densità di più alta energia confrontata ad altre batterie ricaricabili, con il più alta redditività e la più piccola tossicità, ha messo a strati l'ossido di cobalto LiCoO del litio2 (Fig. 1) è usata come catodo per le applicazioni commerciali.

Figura 1. struttura Stratificata2 di LiCoO.

L'intercalare reversibile ordinario del litio della batteria al litio non difettosa è chiave alla batteria ricaricabile di Li. Tuttavia, gli effetti del riciclaggio prolungato o di memorizzazione prolungata rappresentano una minaccia alla prestazione nel corso del tempo. Quindi, per migliorare la vita delle batterie, la distribuzione delle aree degradate sulla superficie degli elettrodi positivi deve essere capita.

Metodi Sperimentali

I metodi più apprezzati per la caratterizzazione strutturale degli elettrodi in batterie al litio ricaricabili sono la spettroscopia di Raman e microscopia atomica della forza (AFM). I Risultati di una caratterizzazione2 del catodo di LiCoO facendo uso del AFM e delle tecniche di Raman sullo strumento di Spettri di NTEGRA (NT-MDT) integrato con lo spettrometro di Raman di inVia di Renishaw è presentato. La registrazione Simultanea del AFM e le immagini di Raman dalla stessa area del campione sono permesse dallo strumento.

Figura 2. Struttura dell'Accumulatore litio-ione

Figura 2 mostra la struttura tipica di una cella cilindrica ricaricabile dello litio-ione. L'anodo, il catodo e l'elettrolito sono le tre componenti funzionali primarie di un Accumulatore litio-ione. Il materiale Carbonioso (grafite è il più popolare) è usato per l'anodo, il catodo è fatto da LiCoO2 ed il sale del litio in un solvente organico è usato come l'elettrolito.

Le diverse celle dello litio-ione dai terrapieni differenti della batteria al litio del computer portatile sono state esaminate. Il primo terrapieno della batteria, usato per circa 3 anni (circa 1200 cicli diricarica), ha avuto soltanto circa 25% della sua capacità nominale ed era ~30% caricato. La seconda batteria era nuova e ~65% si è caricato.

Figura 3. topografia del AFM (a), (b), fase (c), (d), grandezza (e), (f) ed immagini ottiche (g), (h) della superficie dei catodi2 di LiCoO dalla batteria utilizzata e dal nuovo. Maschere (a), (c) alte rugosità e struttura del grano della mostra che è tipica per le batterie utilizzate. Dimensione di tutte le immagini: μm 50x50.

Risultati

Figura 3 mostra la morfologia di superficie del catodo2 di LiCoO, come determinato dal AFM. Informazioni sulla dimensione, sulla forma e sull'orientamento sono fornite dalla topografia del AFM. Le costanti della grata dei catodi sono conosciute per essere una funzione di concentrazione nel litio nel materiale (LiCoO1-x2). A causa di questo, il catodo dalla nuova batteria è molto più regolare di quello dalla batteria utilizzata - l'estrazione di Li ha indotto la cella di cristallo del materiale usato del catodo a espandersi, di modo che i diversi microcrystals possono essere osservati sulla superficie.

La Fase e la grandezza a mensola di oscillazione egualmente sono registrate durante l'esperimento del AFM. Questi possono fornire i dati supplementari alla scansione della topografia - per esempio, le misure di fase permettono la definizione più forte delle barriere del granulo, poichè non sono influenzate tramite le differenze di altezza. Le immagini Ottiche forniscono i dati complementari, sebbene non sia possibile correlare le immagini del AFM ed ottiche completamente.

Gli spettri di Raman del catodo2 di LiCoO dipendono dalla cronologia elettrochimica. Gli spettri differenti osservati nella Fig. 4 provengono dai punti sul catodo negli stati differenti di degradazione.

Figura 4. spettri di Raman del catodo: LiCoO2 (rosso), LiCoO delithiated2 (verde) e Coo34 (blu). Le bande risolte possono essere riferite con la deformazione strutturale o il cambiamento di superficie durante l'estrazione di Li.

La rappresentazione irrducible totale per i modi vibratorii di LiCoO2 può essere trovata dall'analisi del gruppo di fattore per essere A+1g 2 A2u + Eg + 2 E.u I modi del gerade sono attivo di Raman ed i modi del ungerade sono attivo di IR. Negli spettri di Raman, le bande di E e1g soltantog di A dovrebbero essere osservate. In questo esperimento, due forti bande sono osservate a 472 e a 579 cm- 1 con un rapporto del 1:3, che dell'intensità corrispondono alle vibrazioni dell'ossigeno che comprendono v2 (E)g, O-Co-o che piegano e v1 (A1g), i modi d'allungamento Co--o, rispettivamente.

Figura 5. spostamenti Atomici dei modi dell'Raman-Attivo di LiCoO2

Alcuni cambiamenti sono veduti negli spettri di Raman quando il litio è estratto durante il trattamento di carico (linea verde nella Fig. 4). I picchi del main dal LiCoO2 a 472cm-1 e a 579 cm-1 subiscono un piccolo spostamento. Le bande 515cm-1 e 674cm-1 aumentano di intensità - questi possono essere definiti ai modi vibratorii di Lio2 e di Coo34 rispettivamente.

Possiamo identificare lo stato delle regioni differenti del catodo dell'Accumulatore litio-ione dai loro spettri di Raman, facendo uso di seguenti picchi caratteristici:

  1. Due picchi intensi, 472 e 579 cm-1 caratterizzano le aree del catodo nello stato intercalato (LiCoO2).
  2. Le intensità Comparabili delle bande di Raman, a 579 e a 674 cm-1, caratterizza il catodo delithiated, (Li1-xCoO2).
  3. I Forti picchi a 674 cm-1 e scomparsa dei picchi a 579 cm-1 caratterizzano le aree degradate del catodo.

Figura 6 mostra che le mappe bidimensionali del AFM e di Raman dallo stesso luogo del catodo rimosso dalla nuova batteria imballano. Le più alte aree sulla topografia del AFM corrispondono allo stato intercalato del catodo. Circa 60% dell'area del catodo è pertinente al materiale delithiated. Ciò è conforme al livello della tassa di batteria, circa 65%.

Figura 6. immagini di Raman e del AFM dallo stesso luogo di nuovo catodo: (a) Altezza di topografia del AFM, (b) fase, (c) grandezza; (d) mappa di intensità di Raman con il picco di 579-1 cm, (e) mappa di intensità di Raman facendo uso del picco di 674-1 cm; (f) mappa chimica (il colore rosso corrisponde al LiCoO2, colore verde è LiCoO delithiated2 (Coo34 è assente su questo catodo, perché l'intensità del picco a 674 cm-1 non è mai rigogliosa sopra l'intensità del picco 579 cm-1); (g) rapporto delle intensità di punta a 579 e a 674 cm-1. Il colore Nero corrisponde al catodo delithiated, colore giallo corrisponde allo stato intercalato del catodo. Dimensione di tutte le immagini: μm 50x50.

Nel catodo rimosso dal terrapieno usato della batteria, le immagini di Raman sono più complicate (Fig. 7 AG). Inoltre, egualmente hanno degradato il Coo34.

Figura 7. immagini di Raman e del AFM dallo stesso luogo del catodo rimosso dalla vecchia batteria: (a) Topografia del AFM, (b) fase, (c) grandezza; (d) mappa di intensità di Raman facendo uso del picco di 579-1 cm, (e) mappa di intensità di Raman facendo uso del picco di 674-1 cm; (f) rapporto delle intensità di punta a 579 e a 674 cm-1. Il colore Nero corrisponde al Coo34, perché tali aree sono caratterizzate da un forte picco a 674 cm-1 e dal picco molto debole a 579 cm-1; (g) mappa chimica (il colore blu corrisponde al Coo34 , colore rosso corrisponde alla Dimensione non degradata2 di LiCoO di tutte le immagini: μm 50x50.

Paragonando la topografia del AFM (Fig. 7a) alla mappa di Raman (Fig. 7g) rivela che la topografia della piana con i più grandi granuli e meno limiti di granulo è veduta per le aree degradate del materiale del catodo (fuori delle aree ovali) e parti non degradate del catodo corrisponde alle aree ad una più grande proporzione di più piccoli granuli e più di limiti di granulo (indicati dagli ovali nella Fig. 7).

Conclusioni

L'importanza della rappresentazione correlata di AFM-Raman per gli studi della batteria dello Li-Ione è indicata in questo studio. La rappresentazione di Raman permette i trattamenti di intercalare del litio e la degradazione del catodo da caratterizzare dettagliatamente. I beni chimici del catodo possono essere correlati con la sua topografia dalla rappresentazione simultanea del AFM.

Circa NT-MDT

NT-MDT ha 550 impiegati, compreso gli scienziati di Ph.D., molti di chi sono guide nel loro campo. La società ha più di 600 impianti in 39 paesi e sta funzionando nel servizio di APM per più di 15 anni, raggiungente la distribuzione mondiale delle loro unità. I clienti di NT-MDT includono le Università e gli istituti universitari, i laboratori, i governi, i centri di ricerca e le società scientifiche di tutte le dimensioni in nanotecnologia sistemano.

Questi informazioni sono state originarie, esaminate ed adattate dai materiali forniti da NT-MDT Co.

Per ulteriori informazioni su questa sorgente, visualizzi prego NT-MDT Co.

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

Last Update: 15. July 2013 16:07

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