結合された原子力の顕微鏡検査およびラマン顕微鏡検査を使用して李イオン電池の分析

AZoNano 著

目録

導入
実験方法
結果
結論
NT-MDT について

導入

携帯電話のような多くの携帯機器のためのリチウム電池、電力源、ラップトップ、カムコーダー、等は電気手段および宇宙航空および軍アプリケーションでも使用されます。 リチウム電池の開発は急速に進んでいます。

長い生命、より低い自己放電のレートおよび、より高い費用有効性およびより小さい毒性と共に比較された高エネルギーの密度が原因で他の充電電池とリチウムコバルトの酸化物 LiCoO を層にしました2 (図 1) は商用アプリケーションのために陰極として使用されます。

図 1. LiCoO の層にされた2 構造。

非不完全なリチウム電池の通常の可逆リチウム置閏は李再充電可能な電池に主です。 ただし、延ばされた循環するか、または延長された保存の姿勢の効果時間のコースのパフォーマンスへの脅威。 それ故に、電池の寿命を改善するために、肯定的な電極の表面の低下させた領域の分布は理解されなければなりません。

実験方法

再充電可能なリチウム電池の電極の構造性格描写のための最も貴重な方法はラマン分光学および原子力の顕微鏡検査です (AFM)。 AFM を使用して LiCoO の2 陰極の性格描写および Renishaw の inVia のラマン分光計によって統合される NTEGRA スペクトル (NT-MDT) の器械のラマン技術の結果は示されます。 AFM の同時記録および同じサンプル領域からのラマン画像は器械によって許可されます。

リチウムイオン電池の図 2. 構造

図 2 はリチウムイオン再充電可能な円柱セルの典型的な構造を示します。 陽極、陰極および電解物はリチウムイオン電池の 3 つの一次機能要素です。 炭素質材料は LiCoO から陽極のために (グラファイトは最も普及しています)、陰極作られます使用され2、有機溶剤のリチウム塩は電解物として使用されます。

異なったラップトップのリチウム電池のパックからの個々のリチウムイオンセルは検査されました。 約 3 年 (約 1200 の満た再充電のサイクル) に使用した最初の電池のパックにわずかな容量の約 25% だけがあり、満たされた ~30% でした。 セカンドバッテリーは新しく、 ~65% は満たしました。

(a) の (b) の (c) の (d) の大きさ (e)、 (f) および使用された電池と新しいものからの LiCoO の陰極の表面の光学2 画像 (g) 段階図 3. AFM の地形、 (h)。 映像 (a)、 (c) 展示品の使用された電池のために典型的である高い荒さおよび粒状組織。 すべての画像のサイズ: 50x50 μm。

結果

図 3 は AFM によって定められるように LiCoO の陰極2 の表面の形態を、示します。 サイズ、形およびオリエンテーションについての情報は AFM の地形によって提供されます。 陰極の格子定数は材料 (LiCoO) のリチウム集中の機能であると1-x2知られています。 個々の microcrystals が表面で観察することができるようにこのような理由で、新しい電池からの陰極は使用された電池からのものより大いにスムーズです - 李の抽出により使用された陰極材料の水晶セルは拡大しました。

段階および片持梁振動の大きさはまた AFM の実験の間に記録されます。 これらは地形スキャンに追加データを提供できます - 例えば、段階の測定は高さの相違によって影響されないので、穀物の端のより鋭い定義を可能にします。 光学画像は光学および AFM の画像を完全に関連させることは可能ではないが、補足データを提供します。

LiCoO の陰極のラマン2 スペクトルは電気化学の歴史に依存しています。 図 4 で観察される異なったスペクトルは劣化の異なった状態の陰極のポイントからです。

図 4. 陰極のラマンスペクトル: LiCoO2 (赤い)、 delithiated LiCoO2 (緑)、および鳴き声34 (青い)。 解決するバンドは李の抽出の間に構造ゆがみか表面の変更と関連付けられるかもしれません。

LiCoO2 の振動モードのための総 irrducible 表示は因子群の分析によって A+ 2 であると A1g + E2u + 2g E. 見つけることができます。u gerade のモードはラマンアクティブアクティブであり、 ungerade のモードは IR のアクティブアクティブです。 ラマンスペクトルでは、 A だけ1g および Eg バンドは観察されるべきです。 この実験では、 2 つの強いバンドはの 472 および、および v1- 1 (a) を曲がる含む酸素の振動に対応する 579 cm で 1:3 の強度のg比率、 v2 (e)、 O CoO1g モードを伸ばす鳴き声それぞれ観察されます。

図 5. LiCoO のラマン実行中のモードの原子変位2

ラマンスペクトルのある変更はリチウムが充満プロセス (図 4) の間にのグリーン・ライン得られるとき見られます。 472cm および 579 cm の2 LiCoO からの-1 本管のピークは-1 小さいシフトを経ます。 515cm-1 および 674cm-1 バンドは強度で増加します - これらはそれぞれ LiO および鳴き声の振動モードに2割り当てる34 ことができます。

私達は次の独特のピークを使用してラマン彼らのスペクトルからのリチウムイオン電池の陰極の異なった領域の状態を、識別してもいいです:

  1. 2 つの強いピーク、 472 および 579 cm は-1 挿入された州 (LiCoO) の陰極の領域を2特徴付けます。
  2. ラマンバンドの対等な強度は、 579 および 674 cm の-1、 delithiated 陰極を特徴付けます、 (Li1-xCoO2)。
  3. 579 cm のピークの-1 674 cm および消失の強いピークは-1 陰極の低下させた領域を特徴付けます。

新しい電池から除去される陰極の同じところからのラマンおよび AFM の二次元のマップが詰まることを図 6 は示します。 AFM の地形のより高い領域は陰極のより挿入された状態に対応します。 陰極領域のおよそ 60% は delithiated 材料に関連しています。 これは電池、およそ 65% の料金のレベルに従ってあります。

図 6. 新しい陰極の同じところからの AFM およびラマン画像: (a) AFM の地形の高さ、 (b) 段階、 (c) 大きさ; (d) 579 cm のピークが付いているラマン強度の-1 マップ、 (e) 674 cm のピークを使用してラマン強度の-1 マップ; (f) 674 cm のピークの強度が決してピーク2 579 cm の強度に2 臭くない34 ので) 化学マップ (赤いカラーは LiCoO に、緑色です-1 delithiated LiCoO 対応します (鳴き声はこの陰極で不在です-1、; 579 および 674 cm のピーク強度の (g) の比率-1。 黒いカラーは陰極の挿入された状態に delithiated 陰極に、黄色いカラー対応します対応します。 すべての画像のサイズ: 50x50 μm。

使用された電池のパックから除去される陰極ではラマン画像はより複雑です (図 7 a-g)。 さらに、それらはまた鳴き声を低下させました34

図 7. 古い電池から除去される陰極の同じところからの AFM およびラマン画像: (a) AFM の地形、 (b) 段階、 (c) 大きさ; (d) 579 cm のピークを使用してラマン強度の-1 マップ、 (e) 674 cm のピークを使用してラマン強度の-1 マップ; (f) 579 および 674 cm のピーク強度の比率-1。 黒いカラーは鳴き声にそのような34領域が 674 cm の強いピークおよび 579 cm の非常に弱い-1 ピークによって特徴付けられるので、対応します-1; (g) の化学マップ (青いカラーはすべての画像の LiCoO の34 非低下させたサイズに鳴き声に、2 赤いカラー対応します対応します: 50x50 μm。

ラマンマップ (図 7g) と AFM の地形 (図 7a) を比較することはより小さい穀物およびより多くの粒界のより大きい割合と領域により大きい穀物および少数の粒界の平へしの地形が楕円形領域 (の外で) 陰極材料の低下させた領域については見られることをおよび陰極の非低下させた部品対応します明らかにします (図 7) で楕円形によって示されている。

結論

李イオン電池の調査のための AFM ラマン関連させたイメージ投射の重要性はこの調査で示されています。 ラマンイメージ投射は詳しく特徴付けられるべき陰極のリチウム置閏プロセスそして劣化を可能にします。 陰極の化学特性は同時 AFM イメージ投射によって地形に関連させることができます。

NT-MDT について

NT-MDT に 550 人の従業員が、 Ph.D の科学者を含んで、そのほとんどです彼らのフィールドのリーダーあります。 会社は 39 ヶ国で 600 以上のインストールがあり、ずっと装置の世界的な分布を達成する 15 年間以上 APM の市場で作動しています。 NT-MDT の顧客は大学を含み、ナノテクノロジーのすべてのサイズの大学、実験室、政府、研究所および科学的な会社は守備につきます。

この情報は NT-MDT Co. によって提供される材料から供給され、見直され、そして適応させて。

このソースのより多くの情報のために、 NT-MDT Co. を訪問して下さい

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

Last Update: 15. July 2013 16:10

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