分析使用聯合的基本強制顯微學和喇曼顯微學的李離子電池

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實驗法
結果
結論
關於 NT-MDT

簡介

鋰電池、一個電源許多攜帶式裝置的例如手機,膝上型計算機、攝像機等等也用於電子通信工具和航空航天和軍事應用。 鋰電池的發展迅速地提前。

由於長壽、更低的自動放電費率和高能密度與其他可再充電電池比較,以及更高的成本效益和更小的有毒,分層了堆積鋰鈷氧化物 LiCoO2 (圖 1) 使用作為負極為商務應用。

圖 1. 層狀 LiCoO2 結構。

非有缺陷的鋰電池的普通的可逆鋰插入是關鍵的對可再充電的李電池。 然而,被延長的循環或長時期的存儲的姿勢的作用對性能的一個威脅在時間路線。 因此,改進壽命電池,降低的區的配電器在正電極表面的必須瞭解。

實驗法

電極的結構上的描述特性的最重要的方法在可再充電的鋰電池的是喇曼分光學和基本強制顯微學 (AFM)。 集成與 Renishaw inVia2 喇曼分光儀存在一個 LiCoO 負極描述特性和在 NTEGRA 光譜 (NT-MDT) 儀器的喇曼技術的結果使用 AFM 的AFM 同時記錄和從同一範例區的喇曼圖像由儀器允許。

圖 2. 鋰離子電池結構

圖 2 顯示鋰離子可再充電的圓柱形細胞的典型的結構。 陽極、負極和電解質是鋰離子電池的三個主要功能組件。 碳質的材料 (石墨是最普遍的) 為陽極使用,負極由 LiCoO 做2,并且在有機溶液的鋰鹽使用作為電解質。

從不同的膝上型計算機鋰電池裝箱的各自的鋰離子細胞被檢查。 第一個電池裝箱,用於大約 3 年 (大約 1200 充電給充電的循環),只有大約 25% 其名義上的能力,并且是被充電的 ~30%。 第二電池是新的,并且 ~65% 充電。

圖 3. AFM 地勢 (a), (b),階段 (c), (d),大小 (e)、 (f) 和光學圖像 (g), (h) LiCoO 負極表面2 從使用的電池和從新的。 照片 (a), (c) 展覽為使用的電池是典型的高坎坷和顆粒結構。 所有圖像的範圍: 50x50 μm。

結果

顯示 LiCoO 負極的表面形態學,2AFM 取決於圖 3。 AFM 地勢提供關於這個範圍、形狀和取向的信息。 負極格子常數知道是鋰含量的功能在材料 (LiCoO1-x2) 的。 因此,從新的電池的負極比那個平穩從使用的電池 - 李提取造成使用的負極材料的水晶細胞擴展,因此各自的 microcrystals 在表面可以被觀察。

在 AFM 實驗期間,階段和懸臂式動擺大小也被記錄。 這些可能提供另外的數據給地勢掃描 - 例如,階段評定允許穀物邊緣的更加急劇的定義,因為他們沒有影響的是受高度區別的。 光學圖像提供補充數據,雖然完全地關聯光學和 AFM 圖像是不可能的。

LiCoO 負極的喇曼光譜2 依靠這個電化學歷史記錄。 在圖觀察的不同的光譜 4 是從在負極的點用降低不同的狀態。

圖 4. 負極的喇曼光譜: LiCoO2 (紅色), delithiated LiCoO2 (綠色) 和咕咕聲34 (藍色)。 解決的範圍可能涉及與這個結構上的畸變或表面更改在李的提取時。

LiCoO2 振動模式的總 irrducible 表示可以由商群分析找到是 A+1g 2 A2u + Eg + 2 E。u gerade 模式是喇曼活躍,并且 ungerade 模式是紅外線活躍。 在喇曼光譜,應該觀察1gg A 和 E 範圍。 在此實驗,二個嚴格的範圍被觀察在 472 和 579 cm- 1 以 1:3 強度比例,對應於介入 v2 (e), O CoOg 彎曲和 v1 (a) 的氧氣振動1g,舒展模式的咕咕聲,分別。

圖 5. 基本位移 LiCoO 喇曼有效的模式 2

那些變化被看到在喇曼光譜上,當鋰被提取在這個充電的進程時 (在圖 4) 的綠線期間。 從 LiCoO 的主要峰頂2 在 472cm-1 和 579 cm-1 進行小的班次。 515cm-1 和 674cm-1 範圍在強度增加 - 這些可以被分配到各自 LiO 和咕咕聲2振動模式34

使用下列典型峰頂,我們可以識別鋰離子電池負極的不同的地區狀態從他們的喇曼光譜的, :

  1. 二個強烈的峰頂, 472 和 579 cm-1 分析負極的區在這個被設置的狀態 (LiCoO2) 的。
  2. 可比較的強度喇曼範圍,在 579 和 674 cm-1,分析 delithiated 負極, (Li1-xCoO2)。
  3. 在 674 cm 和失蹤的-1 嚴格的峰頂在 579 cm 的峰頂-1 分析負極降低的區。

圖 6 顯示從從新的電池去除的負極的原處的二維喇曼和 AFM 映射包裝。 在 AFM 地勢的更高的區對應於負極的被設置的狀態。 大約 60% 負極區與 delithiated 材料是相關的。 這是與電池符合,大約 65% 的充電級別。

圖 6. 從新的負極的原處的 AFM 和喇曼圖像: (a) AFM 地勢高度, (b) 階段, (c) 大小; (d) 喇曼與 579 cm 峰頂的強度-1 映射, (e) 喇曼使用 674 cm 峰頂的強度-1 映射; (f) 化工映射 (紅顏色對應於 LiCoO2,綠色是 delithiated LiCoO2 (咕咕聲34 是缺少的在此負極,因為強度在 674 cm 的峰頂-1 從未是茂盛的在強度峰頂 579 cm-1); 高峰強度 (g) 比例在 579 和 674 cm 的-1。 黑色顏色對應於 delithiated 負極,黃色顏色對應於負極被設置的狀態。 所有圖像的範圍: 50x50 μm。

在從使用的電池裝箱去除的負極,喇曼圖像是更加複雜的 (圖 7 a-g)。 另外,他們也降低了咕咕聲34

圖 7. 從從老電池去除的負極原處的 AFM 和喇曼圖像: (a) AFM 地勢, (b) 階段, (c) 大小; (d) 喇曼使用 579 cm 峰頂的強度-1 映射, (e) 喇曼使用 674 cm 峰頂的強度-1 映射; (f) 高峰強度比例在 579 和 674 cm 的-1。 因為這樣區描繪為34在 674 cm 的一個嚴格的峰頂和非常在 579 cm的弱的峰頂-1 黑色顏色對應於咕咕聲-1; (g) 化工映射 (藍色顏色對應於咕咕聲34 ,紅顏色對應於所有圖像的非2 降低的 LiCoO 範圍: 50x50 μm。

AFM 地勢 (圖 7a) 與喇曼映射 (圖 7g) 比較表示與更大的穀物和少量晶界的奉承者地勢為負極材料的降低的區被看到 (在卵形區外面) 和負極的非降低的零件對應於區以更小的穀物和更多晶界的一個更大的比例 (顯示由長圓形在圖 7)。

結論

關聯的 AFM 喇曼想像的重要性李離子電池研究的在此研究顯示。 喇曼想像允許將詳細被分析的負極的鋰插入進程和降低。 負極的化工屬性可以關聯與其地勢由同時 AFM 想像。

關於 NT-MDT

NT-MDT 有 550 位員工,包括 Ph.D 科學家,大多數是在他們的域的領導先鋒。 這家公司在 APM 市場上有超過 600 安裝在 39 個國家(地區) 和經營超過 15 年,達到他們的設備的世界分佈。 NT-MDT 的客戶機包括大學,并且學院、實驗室、政府、研究中心和所有範圍科學公司在這個納米技術裡調遣。

此信息是來源,覆核和適應從 NT-MDT 提供的材料 Co。

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

Last Update: 15. July 2013 15:50

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