Analysis and Testing of Lithium-Ion Battery Materials

Význam tématu

Lithium-iontové baterie se stávají klíčovým prvkem pro udržitelnou mobilitu a energetické úložiště díky vysoké energetické hustotě, dlouhé životnosti a relativně nízké hmotnosti.
S rostoucí poptávkou po elektrických a hybridních vozidlech je nezbytné optimalizovat výkon, životnost i bezpečnost baterií a zároveň snižovat jejich výrobní náklady.
Pokročilé analytické metody umožňují detailní charakterizaci materiálů, odhalení mechanismů degradace a kontrolu kvality během vývoje i výrobního procesu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem předložené studie je prezentovat soubor analytických řešení společnosti Shimadzu pro komplexní zlepšení výkonu a spolehlivosti lithium-iontových sekundárních baterií.
Článek popisuje aplikace chemické vazbové analýzy, rentgenové tomografie, chromatografie, elektrochemické a mechanické charakterizace jednotlivých komponent i celých článků.
Ukázkové výsledky ilustrují vyhodnocení chemických stavů elektrod, interní struktury článků, degradace elektrolytu či pevnost separátorů a prášků pro pevné elektrolyty.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika kombinuje spektroskopické, zobrazovací a mechanické přístupy:

• Analýza chemického stavu elektrod pomocí Chemical Bond Analysis System Xspecia™ a XAFS.
• 3D neinvazivní zobrazování vnitřní struktury článků metodou X-ray CT (inspeXio SMX-225CT).
• Kompoziční analýza elektrolytu a generovaných plynů pomocí GC-MS (GCMS-QP2020NX) a iontové chromatografie (HIC-ESP).
• Nanoskopická charakterizace pojiv a jejich mechanických vlastností ve skutečném elektrolytickém prostředí pomocí SPM-9700HT™.
• Termická analýza separátorů (DSC-60Plus) a dilatometrie (TMA-60).
• Mechanické testy separátorů a montovaných článků (AGX-V Universal Testing Machine).
• Hlubkové profilování vrstev Pevných elektrolytů (XPS s monoatomickými a cluster ionty).
• Analýza velikosti a tvaru prášků pro pevné elektrolyty (iSpect DIA-10).
• Stanovení pevnosti jednotlivých mikročástic metodou Micro Compression Tester MCT-510.

Hlavní výsledky a diskuse

Chemická vazbová analýza Xspecia odhalila proměnlivý oxidační stav Ni a Co v ternárních katodách během nabíjení/discharging, potvrzený XAFS měřením na SPring-8.
3D tomografie umožnila vizualizovat vnitřní deformace elektrod 18650 článků i velkých automobilových modulů a odhalit polohu separátorů.
GC-MS identifikovala hlavní karbonátové složky elektrolytu a produkty jeho rozkladu včetně fluorovaných meziproduktů.
Potlačená iontová chromatografie prokázala vznik fluoridových a fluorofosfátových aniontů v degradovaném elektrolytu po zrychlené zkoušce.
SPM v elektrolytu ukázalo rozdíly v gelaci pojiv a měření „force curve“ kvantifikovalo jejich tuhost, klíčové pro stabilitu Si-anod.
DSC a TMA odhalily rozdíly v krystalinitě a tepelné odolnosti separátorů, což ovlivňuje rozměrovou stabilitu při zvýšené teplotě.
Puncture testy separátorů prokázaly změnu mechanické pevnosti při 25 °C, 60 °C a 90 °C, zásadní pro bezpečnost nepoškozené izolace.
Hluboké profilování LiPON filmů prokázalo závislost stanovení složení na typu iontů (monoatomické Ar+ vs. Ar cluster), kde cluster ionty poskytly věrnější hloubkový profil bez posunu Li do podloží.
Dynamická analýza obrazu prášků ukázala homogenní rozdělení částic kolem 5 µm, zatímco mikrokompresní testy odhalily rozdíly v pevnosti a tvárnosti částic pevného elektrolytu.

Přínosy a praktické využití metody

Integrovaný soubor analytických technik umožňuje komplexní vývoj materiálů i kontrolu kvality hotových baterií.
Přímé vyhodnocení oxidačních stavů elektrod napomáhá optimalizovat složení katodních sloučenin pro vyšší kapacitu a stabilitu.
Neinvazivní zobrazování usnadňuje rychlou detekci výrobních vad článků a modulů bez rozebírání.
Detailní rozbor degradace elektrolytu a pojiv vede k výběru odolnějších přísad pro prodloužení životnosti a zvýšení bezpečnosti.

Budoucí trendy a možnosti využití

Vývoj in situ a operando technik pro sledování chemie i struktury během reálného provozu článku.
Integrace pokročilé datové analýzy a strojového učení pro prediktivní údržbu a rychlejší vývoj materiálů.
Kombinace multimodálních zobrazovacích metod (tomografie, spektroskopie, elektronová mikroskopie) pro vyšší rozlišení prostorových a chemických změn.
Rozšíření analýz pevných elektrolytů a nových materiálů pro všechny-pevné baterie s cílem vyšší bezpečnosti a energetické hustoty.

Závěr

Shimadzu nabízí komplexní portfolio analytických metod pro detailní charakterizaci a kontrolu kvality lithium-iontových baterií.
Prezentované příklady demonstrují možnost optimalizovat výkon, životnost i bezpečnost bateriových systémů prostřednictvím cílené analýzy materiálů i hotových článků.
Další rozvoj metod a jejich kombinace s datovou vědou povedou k rychlejšímu zavádění pokročilých bateriových technologií do praxe.

Použitá instrumentace

• Chemical Bond Analysis System Xspecia™
• Rentgenová absorpční spektroskopie (XAFS, SPring-8 BL14B2)
• Neinvazivní 3D zobrazování – inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus
• GC-MS (GCMS-QP2020NX), potlačená iontová chromatografie HIC-ESP
• SPM-9700HT™ pro tvar a mechaniku pojiv
• DSC-60Plus a TMA-60 pro tepelnou analýzu separátorů
• AGX-V Universal Testing Machine pro mechanické zkoušky
• XPS s monoatomickými a cluster ionty pro profilování LiPON
• iSpect DIA-10 pro dynamickou analýzu obrazu prášků
• Micro Compression Tester MCT-510 pro pevnost mikročástic