AFM Evaluation of Different-Sized Active Materials and Interface of All-Solid-State Lithium-Ion Batteries

Význam tématu

Se stoupajícími nároky na energetickou účinnost a bezpečnost se stávají solidní elektrolyty v lithium-iontových bateriích klíčovým prvkem budoucích úložišť energie. All-solid-state lithium-ion batteries (ASSLiB) nabízejí vyšší energetickou hustotu, prodlouženou životnost a eliminaci hořlavých kapalných elektrolytů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie je zkoumat vliv velikosti částic TiO2 jako záporného aktivního materiálu na kvalitu rozhraní s oxidovým superionickým elektrolytem (LAGP) pomocí skenovacího mikroskopu AFM a fotosondy Kelvinova typu (KPFM). Studie se zaměřuje na hodnocení topografie, rozložení potenciálu a vodivosti před i po cyklech nabíjení/vybíjení.

Použitá metodika a instrumentace

Materiály:

• Aktivní materiály TiO2 o středních velikostech 150 nm a 1 µm
• Solidní elektrolyt Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP)
• Uhlíkový nosič acetylénového černého (AB)

Metody:

• Příprava průřezů pomocí iontového frézování a zalití epoxidovou pryskyřicí
• AFM pro zobrazení topografie částic a rozhraní
• KPFM pro měření povrchového potenciálu
• Horké lisování k optimalizaci kontaktu mezi materiály

Hlavní výsledky a diskuse

Topografie záporného elektrody odhalila dobře definované tvary částic TiO2 odpovídající nominálním velikostem (150 nm a 1 µm). Bez horkého lisování se ve vrstvě rozhraní objevily mezery, které významně zvyšují odpor, zatímco po použití lisování vznikla kompaktní struktura bez viditelných otvorů.

KPFM na kladné elektrodě ilustrovalo zvýšení povrchového potenciálu z 0,75 V na 2,98 V po cyklech nabíjení/vybíjení, což signalizuje akumulaci náboje a poruchu iontové vodivosti. Zobrazení místní vodivosti prokázalo nerovnoměrné rozložení uhlíkového nosiče a omezené kontakty vedoucí ke sníženému proudu.

Přínosy a praktické využití metody

AFM/KPFM umožnily vyhodnotit rozměry částic, stav rozhraní a degradaci v časné fázi, dříve než se projeví ve standardních elektrochemických testech. Identifikace nehomogenní distribuce uhlíkového nosiče otevírá cestu k optimalizaci směsi a technologii lisování.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vývoj se zaměří na:

• Vylepšení disperze vodivého přísad
• Optimalizaci parametru lisování pro různá složení
• Integraci mikroskopických analýz s in situ elektrochemickými metodami
• Rozšíření na jiné materiály s vyšší kapacitou

Závěr

Studie prokázala, že velikost částic a proces horkého lisování zásadně ovlivňují kvalitu rozhraní ASSLiB. AFM a KPFM poskytly detailní vhled do topografie, potenciálového profilu a vodivosti, což umožnilo navrhnout kroky ke zlepšení výkonu a životnosti baterií.

Reference

1) E. Iida et al., SPM/AFM Evaluation of Interface of All-Solid-State Lithium-Ion Batteries, IVC-22, Sapporo, Japan (September 13, 2022)