Overfladevidenskabelige modaliteter kaster nyt lys over lithiumdiffusion i batterimaterialer

OCI Vacuum Microengineering, en canadisk producent af specialiseret instrumentering til overfladeanalyse af tynde film, anvender sin kollektive domæneviden og ekspertise til studiet af lokaliseret lithiumdiffusion inden for en række energilagringsmaterialer. Håbet er, at det interne F&U-initiativ, hvis det omsættes til kommerciel anvendelse i bred skala på tværs af batteriforsyningskæden, vil give spilskiftende analytiske kapaciteter til at fremskynde evalueringen og optimeringen af ​​næste generations elektrodematerialer, mellemlag og stabilisering forbindelser til lithium-baserede batteriteknologier.

Med hensyn til projektspecifikationer sporer OCI-teamet faststof-lithiumdiffusion fra en gasfasekilde til tyndfilmsbatterimaterialer ved hjælp af to "analytiske arbejdsheste" fra overfladevidenskabsverdenen: Auger-elektronspektroskopi (AES) og lavenergi elektrondiffraktion (LEED). Udviklet i tandem giver de to modaliteter komplementære indsigter i prøven under undersøgelse, hvor AES undersøger grundstofsammensætningen af ​​det nære overflademiljø (typisk til en dybde på 3-10 nm), mens LEED bestemmer overfladestrukturen af ​​enkeltkrystallinske materialer via bombardement med en kollimeret stråle af lavenergielektroner (og efterfølgende observation af diffrakterede elektroner på en fluorescerende skærm).

Unikke perspektiver

OCI blev etableret i 1990 og har allerede en international R&D-kundebase, der anvender sine LEED- og AES-spektrometre til at karakterisere alle slags nanomaterialer. Nøgleapplikationer omfatter 2D-materialer, organiske tynde film til elektroniske enheder, avanceret fotovoltaik og magnetiske tynde film (til spintroniske og superledende applikationer) - i hvert tilfælde sikre kompatibilitet med næsten ethvert vakuum tyndfilm-aflejringssystem (inklusive molekylær stråleepitaksi og kemisk dampaflejring) ).

"Lige nu er brugen af ​​overfladevidenskabelige værktøjer til at evaluere lithiumdiffusion i energilagringsmaterialer en proof-of-princip-bestræbelse fra vores side," forklarer Jozef Ociepa, præsident og chefforsker ved OCI. Målet, tilføjer han, er at bruge eksperimentelle data fra den virkelige verden til at uddanne potentielle og eksisterende kunder om nytten af ​​AES/LEED til deres batteri-F&U-programmer – og i processen åbne op for nye kommercielle muligheder for OCI. "Vi ønsker at vise batteriproducenter og avancerede materialevirksomheder, hvordan LEED og AES kan hjælpe dem med at se med 'nye øjne' på batteriydelsen - ved at evaluere den grundlæggende fysik af nye anode- og katodematerialer, for eksempel i de tidlige stadier af produktet udviklingscyklus."

Alt dette er vigtigt i betragtning af batteriindustriens ubarmhjertige søgen efter innovative elektrodematerialer, der er i stand til at akkumulere flere lithium-ioner i deres krystallinske strukturer, samtidig med at de sikrer høj lithium-ion-mobilitet, stabil opladningscyklus og forlænget driftslevetid. "Selvfølgelig er lithium-ion-baseret batteriteknologi en bevist succes, men der er stadig fundamentale problemer med ydeevnen at løse," bemærker Ociepa. Disse problemer omfatter lav energitæthed, kapacitetsforringelse og dendritvækst (trælignende lithiumstrukturer, der kan føre til katastrofalt batterisvigt). "Brugen af ​​LEED og AES vil åbne op for et bredere spektrum af analytiske muligheder for bedre at karakterisere den næste generation af batterimaterialer," tilføjer han.

Ociepa og kolleger har udviklet deres Lithium diffusionstester, som kræver et ultrahøjt vakuum (UHV) driftsmiljø, i de sidste 18 måneder og præsenterede indledende forskningsresultater for en række materialer på Electrochemical Society (ECS) årsmøde i Atlanta, GA, i oktober sidste år (se "Hvordan fundamental fysik driver batteriets ydeevne", nedenfor). I betragtning af at AES- og LEED-instrumenter er gennemprøvede OCI-produktlinjer, ligger det teknologiske gennembrud i integrationen af ​​flere kernebyggesten i diffusionstestsystemet – specifikt AES/LEED-konfigurationen, lithiumfordampningskilden, prøvetrinskøling og varme, samt lastlås og handskerum.

"Lithiumdiffusionstesteren er nu et nøglefærdigt system, der er klar til at sende til kunder med seks måneders leveringstid fra bestilling," bemærker Ociepa. "Vi er i øjeblikket på stadiet med at implementere og validere platformen på en række batterimaterialer, herunder nanostruktureret silicium, siliciumcarbid og højt orienteret pyrolytisk grafit."

Lokalisering er nøglen

Teknologisk innovation er også i gang, hvor OCI-teamet for nylig har integreret en UHV-kompatibel elektrokemisk testcelle sammen med Lithium Diffusion Tester. Denne udvidede konfiguration åbner vejen til in-situ overfladekarakterisering af individuelle batterielektroder ved hjælp af LEED og AES, med de komponenter, der kan overføres fra den elektrokemiske testcelle til diffusionstestkammeret uden at bryde vakuumforholdene.

Den store gevinst her er brugen af ​​overfladevidenskabelige modaliteter til at måle lithiumdiffusion inden for individuelle elektroder adskilt fra battericellen – et betydeligt fremskridt for batteriproducenter, hvis traditionelle elektrokemiske testmetoder sporer lithiumdiffusion over anode, katode og elektrolyt kombineret i celle. "Vores AES/LEED-tilgang tilbyder en hidtil uset lokalisering og et mere detaljeret billede til at informere om præstationstest, nedbrydnings- og fejlanalyse og livstidsforudsigelsesmålinger på kandidatmaterialer til næste generations batterier," bemærker Ociepa.

I sidste ende, konkluderer Ociepa, har de kombinerede modaliteter potentialet til at generere unikke datasæt om lithiumdiffusion, som industrien ikke kan få på anden måde. "Vi tror, ​​at denne egenskab vil give et alternativt syn på batteriydelse, hurtig optagelse af nye kandidatmaterialer, samtidig med at vi identificerer kritiske fejlpunkter tidligt i produktudviklingscyklussen."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/surface-science-modalities-shed-new-light-on-lithium-diffusion-in-battery-materials/