שיטות מדעי השטח שופכות אור חדש על פיזור ליתיום בחומרי סוללה

OCI ואקום מיקרו-הנדסה, יצרנית קנדית של מכשור מומחה לניתוח פני השטח של סרטים דקים, מיישמת את הידע והמומחיות הקולקטיבית בתחום לחקר דיפוזיה של ליתיום מקומית בתוך מגוון חומרים לאחסון אנרגיה. התקווה היא שיוזמת המו"פ הפנימית, אם תתורגם לאימוץ מסחרי רחב היקף על פני שרשרת אספקת הסוללות, תניב יכולות אנליטיות משנות משחק למעקב מהיר אחר ההערכה והאופטימיזציה של חומרי האלקטרודות, השכבות והייצוב מהדור הבא. תרכובות לטכנולוגיות סוללות מבוססות ליתיום.

במונחים של פרטי הפרויקט, צוות OCI עוקב אחר דיפוזיה של ליתיום במצב מוצק ממקור פאזת גז לחומרי סוללה בעלי סרט דק באמצעות שני "סוסי עבודה אנליטיים" של עולם מדעי השטח: ספקטרוסקופיה של אלקטרונים אוגר (AES) ואנרגיה נמוכה. עקיפות אלקטרונים (LEED). פרוסים במקביל, שני השיטות מספקות תובנות משלימות על המדגם הנחקר, כאשר AES חוקר את ההרכב היסודי של הסביבה הקרובה לפני השטח (בדרך כלל לעומק של 3-10 ננומטר), בעוד ש-LEED קובע את מבנה פני השטח של חד גבישי. חומרים באמצעות הפצצה עם אלומת קולימציה של אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה (והתבוננות לאחר מכן באלקטרונים מפורקים על מסך ניאון).

נקודות מבט ייחודיות

ל-OCI, שהוקמה בשנת 1990, יש כבר בסיס לקוחות מו"פ בינלאומי שמשתמש בספקטרומטרים של LEED ו-AES כדי לאפיין כל מיני ננו-חומרים. יישומי מפתח כוללים חומרים דו-ממדיים, סרטים דקים אורגניים למכשירים אלקטרוניים, פוטו-וולטאים מתקדמים וסרטים דקים מגנטיים (ליישומי ספינטרוניקה ומוליכי-על) - בכל אחד מהמקרים הבטחת תאימות עם כמעט כל מערכת שקיעה של סרט דק ואקום (כולל אפיטקסיה של קרן מולקולרית ותצהיר אדים כימי). ).

"כרגע, השימוש בכלים למדעי השטח כדי להעריך דיפוזיה של ליתיום בחומרי אחסון אנרגיה הוא מאמץ הוכחה לעיקרון מצדנו", מסביר ג'וזף אוסייפה, נשיא ומדען ראשי ב-OCI. המטרה, הוא מוסיף, היא להשתמש בנתונים ניסיוניים מהעולם האמיתי כדי לחנך לקוחות פוטנציאליים וקיימים לגבי התועלת של AES/LEED עבור תוכניות המחקר והפיתוח של הסוללה שלהם - ותוך כדי כך, לפתוח הזדמנויות מסחריות חדשות עבור OCI. "אנחנו רוצים להראות ליצרני סוללות ולחברות חומרים מתקדמים כיצד LEED ו-AES יכולים לעזור להם להסתכל ב'עיניים חדשות' על ביצועי הסוללה - הערכת הפיסיקה הבסיסית של חומרים חדשים של האנודה והקתודה, למשל, בשלבים המוקדמים של המוצר. מחזור פיתוח."

כל אלו חשובים לאור החיפוש הבלתי פוסק של תעשיית הסוללות אחר חומרי אלקטרודה חדשניים המסוגלים לצבור יותר יוני ליתיום במבנים הגבישיים שלהם, תוך הבטחת ניידות ליתיום-יון גבוהה, מחזור מטען יציב ותקופת חיים תפעולית ארוכים. "אין ספק, טכנולוגיית סוללה מבוססת ליתיום-יון היא הצלחה מוכחת, אבל עדיין יש בעיות ביצועים בסיסיות שצריך לטפל בהן", מציין Ociepa. בעיות אלו כוללות צפיפות אנרגיה נמוכה, ירידה בקיבולת וצמיחת דנדריטים (מבני ליתיום דמויי עץ שעלולים להוביל לכשל קטסטרופלי בסוללה). "השימוש ב-LEED וב-AES יפתח קשת רחבה יותר של יכולות אנליטיות כדי לאפיין טוב יותר את הדור הבא של חומרי הסוללה", הוא מוסיף.

Ociepa ועמיתיו פיתחו את שלהם בודק דיפוזיה של ליתיום, הדורשת סביבת הפעלה של ואקום אולטרה-גבוה (UHV), במשך 18 החודשים האחרונים והציגה ממצאי מחקר ראשוניים עבור מגוון חומרים ב- המפגש השנתי של האגודה האלקטרוכימית (ECS). באטלנטה, ג'ורג'יה, באוקטובר אשתקד (ראה "כיצד הפיזיקה הבסיסית מניעה את ביצועי הסוללה", להלן). בהתחשב בכך שמכשירי AES ו-LEED הם קווי מוצר OCI בדוקים, פריצת הדרך הטכנולוגית טמונה בשילוב של מספר אבני בניין ליבה במערכת בדיקת הדיפוזיה - ספציפית, תצורת AES/LEED, מקור אידוי הליתיום, קירור שלבי מדגם. וחימום, כמו גם מנעול העומס ותא הכפפות.

"בודק דיפוזיה של ליתיום הוא כעת מערכת סוהר המוכנה למשלוח ללקוחות עם זמן אספקה ​​של שישה חודשים מההזמנה", מציין Ociepa. "אנו נמצאים כעת בשלב של יישום ואימות הפלטפורמה על מגוון חומרי סוללות, כולל סיליקון ננו-מבנה, סיליקון קרביד וגרפיט פירוליטי בעל אוריינטציה גבוהה".

לוקליזציה היא המפתח

גם חדשנות טכנולוגית נמשכת, כאשר צוות OCI שילב לאחרונה תא בדיקה אלקטרוכימי תואם UHV לצד בודק הדיפוזיה של ליתיום. תצורה מורחבת זו פותחת את הדרך לאפיון פני השטח במקום של אלקטרודות סוללה בודדות באמצעות LEED ו-AES, כאשר הרכיבים הללו ניתנים להעברה מתא הבדיקה האלקטרוכימית לתא בדיקת הדיפוזיה מבלי לשבור את תנאי הוואקום.

הניצחון הגדול כאן הוא השימוש בשיטות מדעי השטח למדידת דיפוזיה של ליתיום בתוך אלקטרודות בודדות בנפרד מתא הסוללה - התקדמות משמעותית עבור יצרני סוללות, ששיטות הבדיקה האלקטרוכימיות המסורתיות שלהן עוקבות אחר דיפוזיה של ליתיום על פני האנודה, הקתודה והאלקטרוליט המשולבים יחד ב- תָא. "גישת ה-AES/LEED שלנו מציעה לוקליזציה חסרת תקדים ותמונה מפורטת יותר כדי לספק מידע על בדיקות ביצועים, ניתוח ירידה וכשל, ומדידות חיזוי לכל החיים על חומרים מועמדים לסוללות מהדור הבא", מציין Ociepa.

בסופו של דבר, מסכם Ociepa, לשיטות המשולבות יש פוטנציאל ליצור מערכי נתונים ייחודיים על פיזור ליתיום שהתעשייה לא יכולה להשיג בדרך אחרת. "אנחנו חושבים שהיכולת הזו תניב השקפה חלופית על ביצועי הסוללה, מעקב מהיר אחר ספיגה של חומרים מועמדים חדשים תוך איתור נקודות כשל קריטיות בשלב מוקדם של מחזור פיתוח המוצר."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/surface-science-modalities-shed-new-light-on-lithium-diffusion-in-battery-materials/