Oberflächenwissenschaftliche Modalitäten werfen ein neues Licht auf die Lithiumdiffusion in Batteriematerialien

Oberflächenwissenschaftliche Modalitäten werfen ein neues Licht auf die Lithiumdiffusion in Batteriematerialien

Zeitstempel: 12. Januar 2023, 4:36 Uhr

Etablierte oberflächenwissenschaftliche Werkzeuge könnten Industriewissenschaftlern dabei helfen, die Bewertung fortschrittlicher Materialien für Energiespeicheranwendungen zu beschleunigen

Lithium-Diffusionstester
Oberflächenphysik: Das OCI-Team hat neben seinem Lithium-Diffusionstester eine UHV-kompatible elektrochemische Testzelle integriert, die den Weg zur In-situ-Oberflächencharakterisierung einzelner Batterieelektroden mit LEED und AES ebnet. (Mit freundlicher Genehmigung von OCI Vacuum Microengineering)

OCI Vakuum-Mikrotechnik, ein kanadischer Hersteller von Spezialinstrumenten für die Oberflächenanalyse von Dünnschichten, wendet sein kollektives Fachwissen und Fachwissen auf die Untersuchung der lokalisierten Lithiumdiffusion in einer Reihe von Energiespeichermaterialien an. Die Hoffnung ist, dass die interne F&E-Initiative, wenn sie in eine breite kommerzielle Anwendung in der gesamten Batterielieferkette umgesetzt wird, bahnbrechende Analysefähigkeiten hervorbringen wird, um die Bewertung und Optimierung von Elektrodenmaterialien, Zwischenschichten und Stabilisierungen der nächsten Generation zu beschleunigen Verbindungen für Lithium-basierte Batterietechnologien.

Projektspezifisch verfolgt das OCI-Team die Festkörper-Lithiumdiffusion aus einer Gasphasenquelle in Dünnschicht-Batteriematerialien unter Verwendung von zwei „analytischen Arbeitspferden“ der Welt der Oberflächenwissenschaften: Auger-Elektronenspektroskopie (AES) und Niederenergie Elektronenbeugung (LEED). Im Tandemeinsatz liefern die beiden Modalitäten komplementäre Einblicke in die untersuchte Probe, wobei AES die elementare Zusammensetzung der oberflächennahen Umgebung (typischerweise bis zu einer Tiefe von 3–10 nm) abfragt, während LEED die Oberflächenstruktur von Einkristallen bestimmt Materialien durch Beschuss mit einem kollimierten Strahl niederenergetischer Elektronen (und anschließende Beobachtung gebeugter Elektronen auf einem Fluoreszenzschirm).

Einzigartige Perspektiven

OCI wurde 1990 gegründet und verfügt bereits über einen internationalen F&E-Kundenstamm, der seine LEED- und AES-Spektrometer zur Charakterisierung aller Arten von Nanomaterialien einsetzt. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören 2D-Materialien, organische Dünnschichten für elektronische Geräte, fortschrittliche Photovoltaik und magnetische Dünnschichten (für Spintronik- und supraleitende Anwendungen) – in jedem Fall wird die Kompatibilität mit nahezu jedem Vakuum-Dünnschicht-Abscheidungssystem (einschließlich Molekularstrahlepitaxie und chemische Gasphasenabscheidung) sichergestellt ).

„Im Moment ist die Verwendung von oberflächenwissenschaftlichen Werkzeugen zur Bewertung der Lithiumdiffusion in Energiespeichermaterialien ein Proof-of-Principle-Unterfangen unsererseits“, erklärt Jozef Ociepa, Präsident und leitender Wissenschaftler bei OCI. Das Ziel, fügt er hinzu, ist es, reale experimentelle Daten zu verwenden, um potenzielle und bestehende Kunden über den Nutzen von AES/LEED für ihre Batterie-F&E-Programme aufzuklären – und dabei neue kommerzielle Möglichkeiten für OCI zu eröffnen. „Wir möchten Batterieherstellern und Unternehmen für fortschrittliche Materialien zeigen, wie LEED und AES ihnen helfen können, die Batterieleistung mit ‚neuen Augen‘ zu betrachten – beispielsweise durch die Bewertung der grundlegenden Physik neuer Anoden- und Kathodenmaterialien in den frühen Phasen des Produkts Entwicklungszyklus.“

Josef Ociepa
Einblicke in die Oberfläche: Jozef Ociepa (oben) und sein Team bei OCI helfen Unternehmen für fortschrittliche Materialien, die Batterieleistung mit „neuen Augen“ zu betrachten. (Mit freundlicher Genehmigung von OCI Vacuum Microengineering)

All dies ist wichtig angesichts der unermüdlichen Suche der Batterieindustrie nach innovativen Elektrodenmaterialien, die in der Lage sind, mehr Lithiumionen in ihren kristallinen Strukturen zu akkumulieren und gleichzeitig eine hohe Lithiumionenmobilität, stabile Ladezyklen und eine verlängerte Betriebslebensdauer sicherzustellen. „Sicher ist die Lithium-Ionen-basierte Batterietechnologie ein bewährter Erfolg, aber es gibt noch grundlegende Leistungsprobleme, die angegangen werden müssen“, bemerkt Ociepa. Zu diesen Problemen gehören niedrige Energiedichte, Kapazitätsabbau und Dendritenwachstum (baumartige Lithiumstrukturen, die zu einem katastrophalen Batterieausfall führen können). „Der Einsatz von LEED und AES wird ein breiteres Spektrum an Analysemöglichkeiten eröffnen, um die nächste Generation von Batteriematerialien besser zu charakterisieren“, fügt er hinzu.

Ociepa und Kollegen haben ihre entwickelt Lithium-Diffusionstester, das eine Ultrahochvakuum (UHV)-Betriebsumgebung erfordert, in den letzten 18 Monaten und präsentierte erste Forschungsergebnisse für eine Reihe von Materialien auf der Jahrestagung der Electrochemical Society (ECS). in Atlanta, GA, im Oktober letzten Jahres (siehe unten „Wie grundlegende Physik die Batterieleistung antreibt“). Da es sich bei AES- und LEED-Instrumenten um bewährte OCI-Produktlinien handelt, liegt der technologische Durchbruch in der Integration mehrerer Kernbausteine ​​in das Diffusionstestsystem – insbesondere die AES/LEED-Konfiguration, die Lithiumverdampfungsquelle und die Probentischkühlung und Heizung sowie Ladeschleuse und Handschuhfach.

„Der Lithium Diffusion Tester ist jetzt ein schlüsselfertiges System, das mit einer Vorlaufzeit von sechs Monaten ab Bestellung an Kunden ausgeliefert werden kann“, bemerkt Ociepa. „Wir befinden uns derzeit in der Phase der Implementierung und Validierung der Plattform für eine Reihe von Batteriematerialien, darunter nanostrukturiertes Silizium, Siliziumkarbid und hochorientiertes pyrolytisches Graphit.“

Lokalisierung ist der Schlüssel

Auch technologische Innovationen sind im Gange, wobei das OCI-Team kürzlich neben dem Lithium-Diffusionstester eine UHV-kompatible elektrochemische Testzelle integriert hat. Diese erweiterte Konfiguration eröffnet den Weg zur In-situ-Oberflächencharakterisierung einzelner Batterieelektroden unter Verwendung von LEED und AES, wobei diese Komponenten von der elektrochemischen Testzelle in die Diffusionstestkammer überführt werden können, ohne die Vakuumbedingungen zu brechen.

Der große Gewinn hier ist die Verwendung von oberflächenwissenschaftlichen Modalitäten zur Messung der Lithiumdiffusion innerhalb einzelner Elektroden getrennt von der Batteriezelle – ein bedeutender Fortschritt für Batteriehersteller, deren traditionelle elektrochemische Testmethoden die Lithiumdiffusion über Anode, Kathode und Elektrolyt in Kombination verfolgen Zelle. „Unser AES/LEED-Ansatz bietet eine beispiellose Lokalisierung und ein detaillierteres Bild, um Leistungstests, Degradations- und Ausfallanalysen sowie Lebensdauervorhersagemessungen an Kandidatenmaterialien für Batterien der nächsten Generation zu informieren“, bemerkt Ociepa.

Letztendlich, so Ociepa, haben die kombinierten Modalitäten das Potenzial, einzigartige Datensätze zur Lithiumdiffusion zu generieren, die die Industrie auf andere Weise nicht erhalten kann. „Wir glauben, dass diese Fähigkeit einen alternativen Blick auf die Batterieleistung ermöglichen, die Aufnahme neuer Kandidatenmaterialien beschleunigen und gleichzeitig kritische Fehlerpunkte früh im Produktentwicklungszyklus lokalisieren wird.“

Wie fundamentale Physik die Batterieleistung antreibt

Der Lithiumtransport in Batteriematerialien und Unterkomponenten gehört zu den Schlüsselfaktoren für die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Geräten. Um den Produktinnovationszyklus zu informieren, ist es daher für Wissenschaftler aufschlussreich, die Grundlagen der Festkörper-Lithiumdiffusion zu untersuchen (definiert als Prozess der Lithiumatom-/Ionenmigration unter einem Konzentrationsgradienten und aktiviert durch thermische Energie aus atomaren Schwingungen der Wirtsstruktur bei Zimmertemperatur).

Das Verständnis des passiven Lithium-Diffusionsprozesses führt auch zu einem besseren Verständnis der aktiven Diffusion-Prozesse im Herzen von Lithium-basierten Batterien (in Gegenwart eines angelegten elektrischen Potentials). Grundsätzlich wird erwartet, dass Materialien mit guten passiven Lithium-Diffusionseigenschaften auch unter dem Einfluss eines externen Potentials ein attraktives Diffusionsverhalten zeigen.

In diesem Zusammenhang bietet der Dual-Modality Lithium Diffusion Tester von OCI eine einzigartige Möglichkeit, die freie Bewegung von Lithiumatomen/-ionen in eine feste Probe zu beobachten und damit das Verständnis von Diffusionsprozessen zu vereinfachen. Dies gilt insbesondere für Einkristallstrukturen, bei denen der Lithium-Diffusionsprozess durch Zwischengitterplätze, Leerstellen und Versetzungen innerhalb eines korngrenzenfreien Gitters gefördert wird.

„Unser AES/LEED-Ansatz ermöglicht es uns, Materialien, die für die Lithiumdiffusion attraktiv sind, basierend auf der reinen Gitterkomponente zu kategorisieren“, erklärt Ociepa. „Auch die Bedingungen, die die Lithiumdiffusion begrenzen – etwa die Lithiumoxidation und das Vorhandensein von Korngrenzen – können selektiv und unabhängig von anderen Faktoren untersucht werden.“

In ihren bisherigen Studien haben OCI-Wissenschaftler drei Materialkategorien im Vergleich zur Fähigkeit zur „natürlichen“ Lithiumdiffusion identifiziert: Materialien, die eine schnelle Gitterdiffusion und keine Auswirkung auf die strukturelle Strukturordnung über große Entfernungen aufweisen (z. B. pyrolytisches Graphit); mäßige Lithiumdiffusion und gewisse Wirkung auf Fernordnung (z. B. Siliziumkarbid, synthetischer Diamant, Lithiumniobat und Titandioxid); und keine Gitterdiffusion und eine starke Wirkung auf die langreichweitige strukturelle Ordnung (z. B. Silizium, das einen nanotechnologischen Prozess erfordert, um einen Lithiumdiffusionspfad zu erzeugen).

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