Analisando Baterias do Li-Íon Usando a Microscopia Atômica Combinada da Força e a Microscopia de Raman

Por AZoNano

Índice

Introdução
Métodos Experimentais
Resultados
Conclusões
Sobre NT-MDT

Introdução

As baterias de Lítio, uma fonte de energia para muitos dispositivos portáteis tais como celulares, os portáteis, as câmaras de vídeo, Etc. são usados igualmente em veículos elétricos e nas aplicações aeroespaciais e militares. A revelação de baterias de lítio está avançando ràpida.

Devido a uma vida mais longa, a uma mais baixa taxa da auto-descarga, e a uma densidade de energia mais alta comparada a outras baterias recarregáveis, junto com uma rentabilidade mais alta e a toxicidade menor, o óxido mergulhado LiCoO do cobalto do lítio2 (Fig. 1) é usado como um cátodo para aplicações comerciais.

Figura 1. estrutura Mergulhada2 de LiCoO.

A intercalação reversível ordinária do lítio da bateria de lítio não-defeituosa é chave à bateria recarregável de Li. Contudo, efeitos do ciclismo prolongado ou prolongados armazenando a pose uma ameaça ao desempenho no curso do tempo. Daqui, para melhorar a vida das baterias, a distribuição de áreas degradadas na superfície dos eléctrodos positivos deve ser compreendida.

Métodos Experimentais

Os métodos os mais valiosos para a caracterização estrutural dos eléctrodos em baterias de lítio recarregáveis são espectroscopia de Raman e microscopia atômica da força (AFM). Os Resultados de uma caracterização2 do cátodo de LiCoO usando o AFM e de técnicas de Raman no instrumento dos Espectros de NTEGRA (NT-MDT) integrado com o espectrómetro de Raman do inVia de Renishaw são apresentados. A gravação Simultânea do AFM e as imagens de Raman da mesma área da amostra são permitidas pelo instrumento.

Figura 2. Estrutura da bateria do Lítio-Íon

Figura 2 mostra a estrutura típica de uma pilha cilíndrica recarregável do lítio-íon. O ânodo, o cátodo, e o eletrólito são os três componentes funcionais preliminares de uma bateria do lítio-íon. O material Carbonado (a grafite é a mais popular) é usado para o ânodo, o cátodo é feito de LiCoO2, e o sal do lítio em um solvente orgânico é usado como o eletrólito.

As pilhas individuais do lítio-íon dos blocos diferentes da bateria de lítio do portátil foram examinadas. O primeiro bloco da bateria, usado por aproximadamente 3 anos (aproximadamente 1200 ciclos derecarregamento), teve somente aproximadamente 25% de sua capacidade nominal, e foi ~30% cobrado. A segunda bateria era nova e ~65% cobrou.

Figura 3. topografia do AFM (a), (b), fase (c), (d), valor (e), (f) e imagens ópticas (g), (h) da superfície de cátodos2 de LiCoO da bateria usada e do novo. Imagens (a), (c) aspereza da exibição e estrutura de grão altas que é típica para baterias usadas. Tamanho de todas as imagens: μm 50x50.

Resultados

Figura 3 mostra a morfologia de superfície do cátodo2 de LiCoO, como determinado pelo AFM. A Informação sobre o tamanho, a forma e a orientação é fornecida pela topografia do AFM. As constantes da estrutura dos cátodos são sabidas para ser uma função da concentração do lítio no material (LiCoO1-x2). Devido a isto, o cátodo da bateria nova é muito mais liso do que esse da bateria usada - a extracção de Li fez com que a pilha de cristal do material usado do cátodo expanda, de modo que os microcrystals individuais pudessem ser observados na superfície.

A Fase e o valor da oscilação do modilhão são gravados igualmente durante a experiência do AFM. Estes podem fornecer dados adicionais à varredura da topografia - por exemplo, as medidas da fase permitem uma definição mais afiada de bordas da grão, porque não são afectadas por diferenças da altura. As imagens Ópticas fornecem dados complementares, embora não seja possível correlacionar completamente as imagens ópticas e do AFM.

Os espectros de Raman do cátodo2 de LiCoO são dependentes da história electroquímica. Os espectros diferentes observados em Fig. 4 são dos pontos no cátodo em estados diferentes de degradação.

Figura 4. espectros de Raman do cátodo: LiCoO2 (vermelho), LiCoO delithiated2 (verde), e Arrulham34 (azul). As faixas resolved podem ser relacionadas com a distorção estrutural ou a mudança de superfície durante a extracção de Li.

A representação irrducible total para os modos vibracionais de LiCoO2 pode ser encontrada pela análise do grupo de factor para ser A+1g 2 A2u + Eg + 2 E.u Os modos do gerade são active de Raman, e os modos do ungerade são active do IR. Nos espectros de Raman, as faixas somente1g de A eg de E devem ser observadas. Nesta experiência, duas faixas fortes são observadas em 472 e em 579 cm- 1 com uma relação do 1:3, que da intensidade correspondem às vibrações do oxigênio que envolvem v2 (e)g, O-Co-o que se dobram, e v1 (a)1g, Co-o que estica modos, respectivamente.

Figura 5. deslocamentos Atômicos dos modos Raman-Activos de LiCoO2

Algumas mudanças estão consideradas nos espectros de Raman quando o lítio é extraído durante o processo cobrando (linha verde em Fig. 4). Os picos do cano principal do LiCoO2 em 472cm-1 e em 579 cm-1 submetem-se a uma SHIFT pequena. As faixas 515cm-1 e 674cm-1 aumentam na intensidade - estes podem ser atribuídos aos modos vibracionais de Lio2 e Arrulhar34 respectivamente.

Nós podemos identificar o estado de regiões diferentes do cátodo da bateria de íon de lítio de seus espectros de Raman, usando os seguintes picos característicos:

  1. Dois picos intensos, 472 e 579 cm-1 caracterizam as áreas do cátodo no estado intercalado (LiCoO2).
  2. As intensidades Comparáveis de faixas de Raman, em 579 e em 674 cm-1, caracterizam o cátodo delithiated, (Li1-xCoO2).
  3. Os picos Fortes em 674 cm-1 e desaparecimento dos picos em 579 cm-1 caracterizam as áreas degradadas do cátodo.

Figura 6 mostra que os mapas bidimensionais de Raman e de AFM do mesmo lugar do cátodo removido da bateria nova embalam. As áreas mais altas na topografia do AFM correspondem ao estado mais intercalado do cátodo. Aproximadamente 60% da área do cátodo é relevante ao material delithiated. Isto é de acordo com o nível da carga da bateria, aproximadamente 65%.

Figura 6. imagens do AFM e do Raman do mesmo lugar do cátodo novo: (a) Altura da topografia do AFM, (b) fase, (c) valor; (d) Mapa da intensidade de Raman com pico de 579-1 cm, (e) mapa da intensidade de Raman usando o pico de 674-1 cm; (f) mapa químico (a cor vermelha corresponde ao LiCoO2, cor verde é LiCoO delithiated2 (Arrulhar34 são ausente neste cátodo, porque a intensidade do pico em 674 cm-1 é nunca florescente sobre a intensidade do pico 579 cm-1); (g) relação de intensidades máximas em 579 e em 674 cm-1. A cor Preta corresponde ao cátodo delithiated, cor amarela corresponde ao estado intercalado de cátodo. Tamanho de todas as imagens: μm 50x50.

No cátodo removido do bloco usado da bateria, as imagens de Raman são mais complicadas (Fig. 7 AG). Além, igualmente degradaram Arrulham34.

Figura 7. imagens do AFM e do Raman do mesmo lugar do cátodo removido da bateria velha: (a) Topografia do AFM, (b) fase, (c) valor; (d) Mapa da intensidade de Raman usando o pico de 579-1 cm, (e) mapa da intensidade de Raman usando o pico de 674-1 cm; (f) relação de intensidades máximas em 579 e em 674 cm-1. A cor Preta corresponde Arrulhar34, porque tais áreas são caracterizadas por um pico forte em 674 cm-1 e pelo pico muito fraco em 579 cm-1; (g) mapa químico (a cor azul corresponde Arrulhar34 , cor vermelha corresponde ao Tamanho não degradado2 de LiCoO de todas as imagens: μm 50x50.

Comparar a topografia do AFM (Fig. 7a) com o mapa de Raman (Fig. 7g) revela que a topografia do alisador com grões maiores e menos limites de grão está considerada para áreas degradadas do material do cátodo (fora das áreas ovais) e as peças não-degradadas do cátodo corresponde às áreas com uma proporção maior de grões menores e mais de limites de grão (mostrados por ovals no Fig. 7).

Conclusões

A importância da imagem lactente correlacionada de AFM-Raman para estudos da bateria do Li-Íon é mostrada neste estudo. A imagem lactente de Raman permite os processos da intercalação do lítio e a degradação do cátodo a ser caracterizado em detalhe. As propriedades químicas do cátodo podem ser correlacionadas com sua topografia pela imagem lactente simultânea do AFM.

Sobre NT-MDT

NT-MDT tem 550 empregados, incluindo cientistas do Ph.D., muitos de quem são líderes em seu campo. A empresa tem as mais de 600 instalações em 39 países, e tem-se operado no mercado de APM por mais de 15 anos, conseguindo a distribuição mundial de seus dispositivos. Os clientes de NT-MDT incluem Universidades e as faculdades, os laboratórios, os governos, os centros de pesquisa e as empresas científicas de todos os tamanhos na nanotecnologia colocam.

Esta informação foi originária, revista e adaptada dos materiais fornecidos por NT-MDT Co.

Para obter mais informações sobre desta fonte, visite por favor NT-MDT Co.

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

Last Update: 15. July 2013 16:28

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