分析使用联合的基本强制显微学和喇曼显微学的李离子电池

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简介
实验法
结果
结论
关于 NT-MDT

简介

锂电池、一个电源许多携带式装置的例如手机,膝上型计算机、摄象机等等也用于电子通信工具和航空航天和军事应用。 锂电池的发展迅速地提前。

由于长寿、更低的自动放电费率和高能密度与其他可再充电电池比较,以及更高的成本效益和更小的有毒,分层了堆积锂钴氧化物 LiCoO2 (图 1) 使用作为负极为商务应用。

图 1. 层状 LiCoO2 结构。

非有缺陷的锂电池的普通的可逆锂插入是关键的对可再充电的李电池。 然而,被延长的循环或长时期的存储的姿势的作用对性能的一个威胁在时间路线。 因此,改进寿命电池,降低的区的配电器在正电极表面的必须了解。

实验法

电极的结构上的描述特性的最重要的方法在可再充电的锂电池的是喇曼分光学和基本强制显微学 (AFM)。 集成与 Renishaw inVia2 喇曼分光仪存在一个 LiCoO 负极描述特性和在 NTEGRA 光谱 (NT-MDT) 仪器的喇曼技术的结果使用 AFM 的AFM 同时记录和从同一范例区的喇曼图象由仪器允许。

图 2. 锂离子电池结构

图 2 显示锂离子可再充电的圆柱形细胞的典型的结构。 阳极、负极和电解质是锂离子电池的三个主要功能组件。 碳质的材料 (石墨是最普遍的) 为阳极使用,负极由 LiCoO 做2,并且在有机溶液的锂盐使用作为电解质。

从不同的膝上型计算机锂电池装箱的各自的锂离子细胞被检查。 第一个电池装箱,用于大约 3 年 (大约 1200 充电给充电的循环),只有大约 25% 其名义上的能力,并且是被充电的 ~30%。 第二电池是新的,并且 ~65% 充电。

图 3. AFM 地势 (a), (b),阶段 (c), (d),大小 (e)、 (f) 和光学图象 (g), (h) LiCoO 负极表面2 从使用的电池和从新的。 照片 (a), (c) 展览为使用的电池是典型的高坎坷和颗粒结构。 所有图象的范围: 50x50 μm。

结果

显示 LiCoO 负极的表面形态学,2AFM 取决于图 3。 AFM 地势提供关于这个范围、形状和取向的信息。 负极格子常数知道是锂含量的功能在材料 (LiCoO1-x2) 的。 因此,从新的电池的负极比那个平稳从使用的电池 - 李提取造成使用的负极材料的水晶细胞扩展,因此各自的 microcrystals 在表面可以被观察。

在 AFM 实验期间,阶段和悬臂式动摆大小也被记录。 这些可能提供另外的数据给地势扫描 - 例如,阶段评定允许谷物边缘的更加急剧的定义,因为他们没有影响的是受高度区别的。 光学图象提供补充数据,虽然完全地关联光学和 AFM 图象是不可能的。

LiCoO 负极的喇曼光谱2 依靠这个电化学历史记录。 在图观察的不同的光谱 4 是从在负极的点用降低不同的状态。

图 4. 负极的喇曼光谱: LiCoO2 (红色), delithiated LiCoO2 (绿色) 和咕咕声34 (蓝色)。 解决的范围可能涉及与这个结构上的畸变或表面更改在李的提取时。

LiCoO2 振动模式的总 irrducible 表示可以由商群分析找到是 A+1g 2 A2u + Eg + 2 E。u gerade 模式是喇曼活跃,并且 ungerade 模式是红外线活跃。 在喇曼光谱,应该观察1gg A 和 E 范围。 在此实验,二个严格的范围被观察在 472 和 579 cm- 1 以 1:3 强度比例,对应于介入 v2 (e), O CoOg 弯曲和 v1 (a) 的氧气振动1g,舒展模式的咕咕声,分别。

图 5. 基本位移 LiCoO 喇曼有效的模式 2

那些变化被看到在喇曼光谱上,当锂被提取在这个充电的进程时 (在图 4) 的绿线期间。 从 LiCoO 的主要峰顶2 在 472cm-1 和 579 cm-1 进行小的班次。 515cm-1 和 674cm-1 范围在强度增加 - 这些可以被分配到各自 LiO 和咕咕声2振动模式34

使用下列典型峰顶,我们可以识别锂离子电池负极的不同的地区状态从他们的喇曼光谱的, :

  1. 二个强烈的峰顶, 472 和 579 cm-1 分析负极的区在这个被设置的状态 (LiCoO2) 的。
  2. 可比较的强度喇曼范围,在 579 和 674 cm-1,分析 delithiated 负极, (Li1-xCoO2)。
  3. 在 674 cm 和失踪的-1 严格的峰顶在 579 cm 的峰顶-1 分析负极降低的区。

图 6 显示从从新的电池去除的负极的原处的二维喇曼和 AFM 映射包装。 在 AFM 地势的更高的区对应于负极的被设置的状态。 大约 60% 负极区与 delithiated 材料是相关的。 这是与电池符合,大约 65% 的充电级别。

图 6. 从新的负极的原处的 AFM 和喇曼图象: (a) AFM 地势高度, (b) 阶段, (c) 大小; (d) 喇曼与 579 cm 峰顶的强度-1 映射, (e) 喇曼使用 674 cm 峰顶的强度-1 映射; (f) 化工映射 (红颜色对应于 LiCoO2,绿色是 delithiated LiCoO2 (咕咕声34 是缺少的在此负极,因为强度在 674 cm 的峰顶-1 从未是茂盛的在强度峰顶 579 cm-1); 高峰强度 (g) 比例在 579 和 674 cm 的-1。 黑色颜色对应于 delithiated 负极,黄色颜色对应于负极被设置的状态。 所有图象的范围: 50x50 μm。

在从使用的电池装箱去除的负极,喇曼图象是更加复杂的 (图 7 a-g)。 另外,他们也降低了咕咕声34

图 7. 从从老电池去除的负极原处的 AFM 和喇曼图象: (a) AFM 地势, (b) 阶段, (c) 大小; (d) 喇曼使用 579 cm 峰顶的强度-1 映射, (e) 喇曼使用 674 cm 峰顶的强度-1 映射; (f) 高峰强度比例在 579 和 674 cm 的-1。 因为这样区描绘为34在 674 cm 的一个严格的峰顶和非常在 579 cm的弱的峰顶-1 黑色颜色对应于咕咕声-1; (g) 化工映射 (蓝色颜色对应于咕咕声34 ,红颜色对应于所有图象的非2 降低的 LiCoO 范围: 50x50 μm。

AFM 地势 (图 7a) 与喇曼映射 (图 7g) 比较表示与更大的谷物和少量晶界的奉承者地势为负极材料的降低的区被看到 (在卵形区外面) 和负极的非降低的零件对应于区以更小的谷物和更多晶界的一个更大的比例 (显示由长圆形在图 7)。

结论

关联的 AFM 喇曼想象的重要性李离子电池研究的在此研究显示。 喇曼想象允许将详细被分析的负极的锂插入进程和降低。 负极的化工属性可以关联与其地势由同时 AFM 想象。

关于 NT-MDT

NT-MDT 有 550 位员工,包括 Ph.D 科学家,大多数是在他们的域的领导先锋。 这家公司在 APM 市场上有超过 600 安装在 39 个国家(地区) 和经营超过 15 年,达到他们的设备的世界分布。 NT-MDT 的客户机包括大学,并且学院、实验室、政府、研究中心和所有范围科学公司在这个纳米技术里调遣。

此信息是来源,复核和适应从 NT-MDT 提供的材料 Co。

关于此来源的更多信息,请参观 NT-MDT Co。

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

Last Update: 15. July 2013 15:46

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