Surface Potential Measurement at the Electrode- Electrolyte Interface of a Charged All-Solid-State Lithium-Ion Battery

Aplikace | 2023 | ShimadzuInstrumentace
Mikroskopie
Zaměření
Průmysl a chemie
Výrobce
Shimadzu

Význam tématu


Vysokovýkonné a bezpečné akumulátory jsou klíčové pro rozvoj obnovitelných zdrojů energie a elektromobility. Mezi perspektivní technologie patří plně pevné lithné baterie (All-Solid-State Lithium-Ion Batteries, ASSLiB), které nabízejí vyšší energetickou hustotu, delší životnost a lepší bezpečnost než konvenční kapalné články. Nicméně odolnost a vodivost na rozhraní elektroda–elektrolyt zůstávají hlavními bariérami pro rychlé nabíjení a dlouhodobou stabilitu těchto článků.

Cíle a přehled studie / článku


Studie se zaměřuje na zobrazení morfologie a měření povrchového potenciálu na rozhraní elektroda–elektrolyt nabitého ASSLiB přímo v inertní atmosféře. Hlavními cíli bylo:
  • Ukázat možnost in situ pozorování ASSLiB bez expozice vzduchu.
  • Zmapovat topografii rozhraní po nabití článku.
  • Vyhodnotit nabitý stav aktivních anodových materiálů pomocí Kelvinovy sondy (KPFM).

Použitá metodika a instrumentace


Pro měření byla využita kombinace:
  • SPM-Nanoa (scanning probe microscope v módu AFM/KPFM).
  • Ar-plněný flow-type glove box s H2O a O2 < 1 ppm.
  • Příprava vzorku: vzorková buňka bondovaná stříbrnou pastou, vyztužená epoxidovou pryskyřicí, následně opracována iontovým frézováním.
  • Parametry měření: pole zobrazení 30×30 µm a 5×5 µm, rozlišení 256×256 pixelů, zdvih XY 125 µm, Z 7 µm.

Hlavní výsledky a diskuse


Topografické snímky odhalily ve vrstvách elektroda–elektrolyt mikropóry (voids), které zvyšují odpor rozhraní a brzdí pohyb Li-iontů. KPFM měření prokázala nejednotné rozložení povrchového potenciálu na anodě ve třech sledovaných oblastech:
  • Na straně sběrače proudu bylo nižší nabití (nedostatek Li⁺).
  • V centrální zóně bylo optimální nabití (vyvážené přítoky Li⁺ a elektronů).
  • Na straně elektrolytu bylo nižší nabití (omezená elektronová vodivost).

Tato data ukazují, že kondukční cesty pro ionty a elektrony nejsou v anodové vrstvě homogenní, což může vést k lokálnímu přetěžování nebo podvybavení materiálu.

Přínosy a praktické využití metody


Metoda SPM/KPFM v inertní atmosféře umožňuje:
  • Vizualizovat a kvantifikovat defekty a poruchy rozhraní na mikroskopické úrovni.
  • Odhadnout nabitý stav specifických částic aktivních materiálů.
  • Podpořit vývoj optimalizovaných struktur elektrody s lepšími vodivostními vlastnostmi.

Budoucí trendy a možnosti využití


Další směřování výzkumu může zahrnovat:
  • Komplexní 3D rekonstrukce rozhraní elektroda–elektrolyt.
  • Studium dynamiky nabíjení/vybíjení při různých podmínkách.
  • Integraci dalších spectroskopických módů pro chemickou analýzu rozhraní.

Závěr


In situ skenovací sondová mikroskopie v inertní atmosféře odhalila klíčové defekty a heterogenní nabití na rozhraní elektroda–elektrolyt v ASSLiB. Tyto poznatky mohou vést k cílenému vylepšení kompozice elektrody a tím i k rychlejšímu nabíjení a vyšší životnosti článků.

Reference


  1. E. Iida, T. Miyamoto, A. Kogure, H. Mukohara, N. Morimoto, R. Yamasaki, H. Yamada, SPM/AFM Evaluation of Interface of All-Solid-State Lithium-Ion Batteries, IVC-22, Sep 13, 2022, Sapporo, Japan.

Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

Evaluating Electrochemical Activity and Electric Potential inside Cathodes in All-Solid-State Lithium-Ion Batteries
AFM Evaluation of Different-Sized Active Materials and Interface of All-Solid-State Lithium-Ion Batteries
Guide to Lithium-ion Battery Solutions
Analytical Solutions for Lithium-Ion Batteries