Analyserend Li-IonenBatterijen die de Gecombineerde AtoomMicroscopie van de Kracht en de Microscopie Raman Gebruiken

Door AZoNano

Inhoudstafel

Inleiding
Experimentele Methodes
Resultaten
Conclusies
Ongeveer NT-MDT

Inleiding

De batterijen van het Lithium, een krachtbron voor vele draagbare apparaten zoals cellulaire telefoons, laptops, camcorders, enz. worden ook gebruikt in elektrovoertuigen en ruimtevaart en militaire toepassingen. De ontwikkeling van lithiumbatterijen gaat snel vooruit.

wegens het langere leven, lager self-discharge tarief, en hogere energiedichtheid in vergelijking met andere navulbare batterijen, samen met hogere kosteneffectiviteit en kleinere giftigheid, wordt het gelaagde oxyde LiCoO van het lithiumkobalt2 (Fig. 1) gebruikt als kathode voor commerciële toepassingen.

Figuur 1. Gelaagde structuur2 LiCoO.

De gewone omkeerbare lithiuminlassing van de niet gebrekkige lithiumbatterij is zeer belangrijk aan de navulbare batterij van Li. Nochtans, vormen de gevolgen van het voortgezette cirkelen of het verlengde opslaan een bedreiging voor prestaties in cursus van tijd. Vandaar, om het leven van batterijen te verbeteren, moet zich de distributie van gedegradeerde gebieden op de oppervlakte van positieve elektroden begrijpen.

Experimentele Methodes

De waardevolste methodes voor structurele karakterisering van de elektroden in navulbare lithiumbatterijen zijn de spectroscopie Raman en de atoomkrachtmicroscopie (AFM). De Resultaten van een LiCoO2 kathodekarakterisering die AFM en technieken Raman op het instrument van Spectrums NTEGRA (NT-MDT wordt) gebruiken die met Renishaw de spectrometer van inViaRaman wordt geïntegreerd voorgesteld. De Gelijktijdige opname van AFM en de beelden Raman van het zelfde steekproefgebied worden toegestaan door het instrument.

Figuur 2. Structuur van lithium-Ionenbatterij

Figuur 2 toont de typische structuur van een lithium-ionen navulbare cilindrische cel. De anode, de kathode, en de elektrolyt zijn de drie primaire functionele componenten van een lithium-ionenbatterij. Het Koolstofhoudende materiaal (het grafiet is het populairst) wordt gebruikt voor de anode, wordt de kathode gemaakt van LiCoO2, en het lithiumzout in een organisch oplosmiddel wordt gebruikt als elektrolyt.

De individuele lithium-ionencellen van de verschillende laptop pakken van de lithiumbatterij werden onderzocht. Het eerste batterijpak, ongeveer 3 jaar (ongeveer 1200 laden-aanvulling cycli) wordt gebruikt, had slechts ongeveer 25% van zijn nominale capaciteit, en was aangerekende die ~30%. De tweede batterij was nieuw en aangerekende ~65%.

Figuur 3. AFM topografie (a), (b), fase (c), (d), omvang (e), (f) en optische beelden (G), (h) van de oppervlakte van kathoden2 LiCoO van de gebruikte batterij en van nieuwe. Beelden (a), (c) tentoongesteld voorwerp hoge ruwheid en korrelstructuur die voor gebruikte batterijen typisch is. Grootte van alle beelden: 50x50 μm.

Resultaten

Figuur 3 toont de oppervlaktemorfologie van de kathode2 LiCoO, zoals die door AFM wordt bepaald. De Informatie over de grootte, de vorm en de richtlijn wordt verstrekt door AFM topografie. De roosterconstanten van kathoden zijn gekend om een functie van lithiumconcentratie in het materiaal (LiCoO)1-x2 te zijn. Wegens dit, is de kathode van de nieuwe batterij veel meer vlot dan van de gebruikte batterij - de extractie van Li heeft de kristalcel van het gebruikte kathodemateriaal om zich ertoe gebracht uit te breiden, zodat individuele microcrystals op de oppervlakte kunnen worden waargenomen.

De Fase en de omvang van de cantileverschommeling worden ook geregistreerd tijdens het experiment AFM. Deze kunnen extra gegevens aan het topografieaftasten verstrekken - bijvoorbeeld, metingen faseren sta meer scherpe definitie van korrelranden toe, aangezien zij niet door hoogteverschillen worden beïnvloed. De Optische beelden verstrekken bijkomende gegevens, hoewel het niet mogelijk is om optisch en de beelden volledig te correleren AFM.

De spectrums van Raman van de kathode2 LiCoO zijn afhankelijk van de elektrochemische geschiedenis. De verschillende die spectrums in Fig. 4 worden waargenomen zijn van punten op de kathode in verschillende staten van degradatie.

Figuur 4. De spectrums van Raman van kathode: (2 Rode) LiCoO, delithiated (2 groene) LiCoO, en (34 blauw) CoO. De vastbesloten banden kunnen met de structurele vervorming of de oppervlakteverandering tijdens de extractie van Li worden met elkaar in verband gebracht.

De totale irrducible vertegenwoordiging voor de trillingswijzen van LiCoO2 kan door de analyse van de factorengroep worden gevonden om A+ 21g A +2u E te zijng + 2 E.u De geradewijzen zijn actieve Raman, en de ungeradewijzen zijn actief IRL. In de spectrums Raman, banden slechts zouden de1g van A eng van E moeten worden waargenomen. In dit experiment, worden twee sterke banden waargenomen bij 472 en 579 cm- 1 met een intensiteitsverhouding van 1:3, die aan zuurstoftrillingen beantwoorden die v2 (e)g, o-Co-O, en v1 (a),1g Co-O uitrekkende wijzen impliceren die, respectievelijk buigen.

Figuur 5. Atoom verplaatsingen van de raman-Actieve wijzen van LiCoO2

Sommige veranderingen worden gezien in de spectrums Raman wanneer het lithium tijdens het het laden proces wordt gehaald (groene lijn in Fig. 4). De belangrijkste pieken van LiCoO2 bij 472cm-1 en 579 cm-1 ondergaan een kleine verschuiving. Banden 515cm-1 en 674cm-1 stijgen in intensiteit - deze kunnen aan trillingswijzen van Lio en2 respectievelijk CoO34 worden toegewezen.

Wij kunnen de staat van verschillende gebieden van de kathode van de lithium ionenbatterij van hun spectrums identificeren Raman, gebruikend de volgende kenmerkende pieken:

  1. Twee intense pieken, 472 en 579 cm-1 kenmerken de gebieden van de kathode in de ingelaste staat (LiCoO2).
  2. De Vergelijkbare intensiteit van banden Raman, bij 579 en 674 cm-1, kenmerkt delithiated kathode, (Li1-xCoO2).
  3. De Sterke pieken bij 674 cm-1 en verdwijning van pieken bij 579 cm-1 kenmerken de gedegradeerde gebieden van kathode.

Figuur 6 toont tweedimensionale Raman en de kaarten AFM van de zelfde die plaats van de kathode uit het nieuwe batterijpak wordt verwijderd. De hogere gebieden op de topografie AFM beantwoorden aan de meer ingelaste staat van de kathode. Ongeveer 60% van het kathodegebied is relevant voor delithiated materiaal. Dit is met het lastenniveau in overeenstemming van batterij, ongeveer 65%.

Figuur 6. AFM en beelden Raman van de zelfde plaats van de nieuwe kathode: (a) de topografiehoogte van AFM, (b) fase, (c) omvang; (d) de intensiteitskaart van Raman met 579 cm-1 piek, (e) de intensiteitskaart die van Raman 674 cmpiek-1 gebruiken; (f) chemische kaart (de rode kleur beantwoordt aan LiCoO2, is de groene kleur delithiated LiCoO2 (CoO34 is afwezig op deze kathode, omdat de intensiteit van piek bij 674 cm-1 nooit weelderig over de intensiteit van piek 579 cm is-1); (G) verhouding van piekintensiteit bij 579 en 674 cm-1. De Zwarte kleur beantwoordt aan delithiated kathode, beantwoordt de gele kleur aan de ingelaste staat van kathode. Grootte van alle beelden: 50x50 μm.

In de kathode uit het gebruikte batterijpak wordt verwijderd, zijn de beelden Raman ingewikkelder (Fig. 7 die a-g). Bovendien hebben zij ook CoO gedegradeerd34.

Figuur 7. AFM en beelden Raman van de zelfde die plaats van kathode uit de oude batterij wordt verwijderd: (a) de topografie van AFM, (b) fase, (c) omvang; (d) de intensiteitskaart die van Raman 579 cmpiek-1 gebruiken, (e) de intensiteitskaart die van Raman 674 cmpiek-1 gebruiken; (f) verhouding van piekintensiteit bij 579 en 674 cm-1. De Zwarte kleur beantwoordt aan CoO34, omdat dergelijke gebieden door een sterke piek bij 674 cm en-1 zeer zwakke piek bij 579 cm worden gekenmerkt-1; (G) chemische kaart (de blauwe kleur beantwoordt aan CoO34 , beantwoordt de rode kleur aan de niet gedegradeerde Grootte2 LiCoO van alle beelden: 50x50 μm.

Het Vergelijken van topografie AFM (Fig. 7a) met de kaart Raman (Fig. 7g) openbaart dat de vlakkere topografie met grotere korrels en minder korrelgrenzen voor gedegradeerde gebieden van het kathodemateriaal (buiten ovale gebieden) en niet-gedegradeerde delen van de kathode beantwoordt aan gebieden met een groter deel kleinere korrels en meer die korrelgrenzen wordt gezien (door ovalen in Fig. 7 worden getoond).

Conclusies

Het belang van gecorreleerde weergave AFM-Raman voor Li-Ionenbatterijstudies wordt getoond in deze studie. De weergave van Raman laat de processen van de lithiuminlassing en de degradatie van de kathode toe om in detail worden gekenmerkt. De chemische eigenschappen van de kathode kunnen met zijn topografie door gelijktijdige weergave worden gecorreleerd AFM.

Ongeveer NT-MDT

NT-MDT heeft 550 werknemers, met inbegrip van wetenschappers Ph.D., veel van wie leiders op hun gebied zijn. Het bedrijf heeft meer dan 600 installaties in 39 landen, en in de markt APM meer dan 15 jaar gewerkt, bereikend distributie wereldwijd van hun apparaten. De cliënten van NT-MDT omvatten Universiteiten en hogescholen, laboratoria, overheden, onderzoekscentra en wetenschappelijke bedrijven van elke mogelijke omvang in het nanotechnologiegebied.

Deze informatie is afkomstig geweest, herzien en die van materialen door NT-MDT Co. aangepast worden verstrekt.

Voor meer informatie over deze bron, te bezoeken gelieve Co. NT-MDT.

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

Last Update: 15. July 2013 15:54

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit