Modalitățile de știință de suprafață aruncă o lumină nouă asupra difuziei litiului în materialele bateriilor

Modalitățile de știință de suprafață aruncă o lumină nouă asupra difuziei litiului în materialele bateriilor

Marca temporală: 12 ianuarie 2023 4:36

Instrumentele consacrate pentru știința suprafeței ar putea ajuta oamenii de știință industriali să accelereze evaluarea materialelor avansate pentru aplicații de stocare a energiei

Tester de difuzie litiu
Fizica suprafeței: echipa OCI a integrat o celulă de testare electrochimică compatibilă UHV alături de Testerul său de difuzie cu litiu, deschizând calea către caracterizarea suprafeței in situ a electrozilor individuali ai bateriei folosind LEED și AES. (Cu amabilitatea: OCI Vacuum Microengineering)

OCI Vacuum Microengineering, un producător canadian de instrumente specializate pentru analiza suprafeței filmelor subțiri, își aplică cunoștințele și expertiza în domeniul colectiv pentru studiul difuziei localizate a litiului într-o serie de materiale de stocare a energiei. Speranța este că inițiativa internă de cercetare și dezvoltare, dacă va fi tradusă într-o adoptare comercială pe scară largă în lanțul de aprovizionare a bateriilor, va oferi capacități analitice care vor schimba jocul pentru a accelera evaluarea și optimizarea materialelor electrozilor de ultimă generație, a straturilor intermediare și a stabilizării. compuși pentru tehnologiile bateriilor pe bază de litiu.

În ceea ce privește specificul proiectului, echipa OCI urmărește difuzia de litiu în stare solidă dintr-o sursă în fază gazoasă în materialele bateriilor cu peliculă subțire, folosind doi „cai de lucru analitici” din lumea științei de suprafață: spectroscopie electronică Auger (AES) și energie joasă. difracția electronilor (LEED). Desfășurate în tandem, cele două modalități oferă perspective complementare asupra eșantionului studiat, cu AES interogând compoziția elementară a mediului apropiat de suprafață (de obicei la o adâncime de 3-10 nm), în timp ce LEED determină structura de suprafață a monocristalinei. materiale prin bombardament cu un fascicul colimat de electroni de joasă energie (și observarea ulterioară a electronilor difracți pe un ecran fluorescent).

Perspective unice

Înființată în 1990, OCI are deja o bază internațională de clienți de cercetare și dezvoltare care utilizează spectrometrele LEED și AES pentru a caracteriza toate tipurile de nanomateriale. Aplicațiile cheie includ materiale 2D, pelicule subțiri organice pentru dispozitive electronice, pelicule fotovoltaice avansate și pelicule subțiri magnetice (pentru aplicații spintronice și supraconductoare) - în fiecare caz asigurând compatibilitatea cu aproape orice sistem de depunere în vid în film subțire (inclusiv epitaxia cu fascicul molecular și depunerea chimică în vapori). ).

„În momentul de față, utilizarea instrumentelor de știință a suprafeței pentru a evalua difuzia litiului în materialele de stocare a energiei este o dovadă a principiului din partea noastră”, explică Jozef Ociepa, președinte și om de știință șef la OCI. Scopul, adaugă el, este de a folosi date experimentale din lumea reală pentru a educa clienții potențiali și existenți cu privire la utilitatea AES/LEED pentru programele lor de cercetare și dezvoltare pentru baterii – și, în acest proces, pentru a deschide noi oportunități comerciale pentru OCI. „Vrem să le arătăm producătorilor de baterii și companiilor de materiale avansate cum LEED și AES îi pot ajuta să privească cu „ochi noi” performanța bateriilor – evaluând fizica fundamentală a noilor materiale anozi și catodici, de exemplu, în etapele incipiente ale produsului. ciclu de dezvoltare.”

Jozef Ociepa
Informații de suprafață: Jozef Ociepa (mai sus) și echipa sa de la OCI ajută companiile de materiale avansate să privească cu „ochi noi” performanța bateriei. (Cu amabilitatea: OCI Vacuum Microengineering)

Toate acestea sunt importante, având în vedere căutarea neîncetată a industriei bateriilor pentru materiale inovatoare pentru electrozi, capabile să acumuleze mai mulți ioni de litiu în structurile lor cristaline, asigurând în același timp o mobilitate ridicată a ionilor de litiu, cicluri de încărcare stabile și durate de viață extinse. „Cu siguranță, tehnologia bateriilor pe bază de litiu-ion este un succes dovedit, dar mai sunt probleme fundamentale de performanță de rezolvat”, notează Ociepa. Aceste probleme includ densitatea scăzută de energie, degradarea capacității și creșterea dendritei (structuri de litiu asemănătoare arborilor care pot duce la defectarea catastrofală a bateriei). „Utilizarea LEED și AES va deschide un spectru mai larg de capabilități analitice pentru a caracteriza mai bine următoarea generație de materiale pentru baterii”, adaugă el.

Ociepa și colegii le-au dezvoltat Tester de difuzie litiu, care necesită un mediu de operare cu vid ultraînalt (UHV), în ultimele 18 luni și a prezentat rezultatele cercetării inițiale pentru o serie de materiale la Reuniunea anuală a Societății Electrochimice (ECS). în Atlanta, GA, în octombrie anul trecut (vezi „Cum fizica fundamentală influențează performanța bateriei”, mai jos). Având în vedere că instrumentele AES și LEED sunt linii de produse OCI testate și testate, descoperirea tehnologiei constă în integrarea mai multor blocuri de bază în sistemul de testare a difuziei - în special, configurația AES/LEED, sursa de evaporare a litiului, răcirea etajului probei. și încălzire, precum și dispozitivul de blocare a încărcăturii și torpedoul.

„Testerul de difuzie cu litiu este acum un sistem la cheie, care este gata de livrare către clienți cu un termen de șase luni de la comandă”, notează Ociepa. „În prezent ne aflăm în stadiul de implementare și validare a platformei pe o gamă largă de materiale pentru baterii, inclusiv siliciu nanostructurat, carbură de siliciu și grafit pirolitic foarte orientat.”

Localizarea este cheia

Inovația tehnologică este, de asemenea, în curs de desfășurare, echipa OCI integrând recent o celulă de testare electrochimică compatibilă cu UHV împreună cu Testerul de difuzie cu litiu. Această configurație extinsă deschide calea către caracterizarea suprafeței in situ a electrozilor individuali ai bateriei folosind LEED și AES, acele componente pot fi transferate de la celula de testare electrochimică la camera de testare de difuzie fără a întrerupe condițiile de vid.

Marele câștig aici este utilizarea modalităților de știință de suprafață pentru a măsura difuzia litiului în interiorul electrozilor individuali separat de celula bateriei - un progres semnificativ pentru producătorii de baterii, ale căror metode tradiționale de testare electrochimică urmăresc difuzia litiului prin anod, catod și electrolit combinate împreună în celulă. „Abordarea noastră AES/LEED oferă o localizare fără precedent și o imagine mai granulară pentru a informa testarea performanței, analiza degradării și defecțiunilor și măsurătorile de predicție a duratei de viață a materialelor candidate pentru bateriile de generație următoare”, notează Ociepa.

În cele din urmă, conchide Ociepa, modalitățile combinate au potențialul de a genera seturi unice de date despre difuzia litiului pe care industria nu le poate obține altfel. „Credem că această capacitate va oferi o viziune alternativă asupra performanței bateriei, absorbția rapidă a noilor materiale candidate, în timp ce identifică punctele critice de defecțiune la începutul ciclului de dezvoltare a produsului.”

Cum fizica fundamentală determină performanța bateriei

Transportul litiului în materialele și subcomponentele bateriei se numără printre factorii cheie care guvernează performanța, fiabilitatea și durata de viață a dispozitivului. Pentru a informa ciclul de inovare a produsului, este, prin urmare, instructiv pentru oamenii de știință să studieze elementele fundamentale ale difuziei litiului în stare solidă (definită ca procesul de migrare a atomului de litiu/ion sub un gradient de concentrație și activat de energia termică din vibrațiile atomice ale structurii gazdă la temperatura camerei).

Înțelegerea procesului de difuzie pasivă cu litiu oferă, de asemenea, o mai bună înțelegere a proceselor de difuzie activă din inima bateriilor pe bază de litiu (în prezența unui potențial electric aplicat). În mod fundamental, este de așteptat ca materialele care prezintă proprietăți bune de difuzie pasivă de litiu vor prezenta, de asemenea, un comportament de difuzie atractiv sub influența unui potențial extern.

În acest context, testerul de difuzie cu litiu cu două modalități OCI oferă o oportunitate unică de a observa mișcarea liberă a atomilor/ionilor de litiu într-o probă solidă și, la rândul său, de a simplifica înțelegerea proceselor de difuzie. Acesta este în special cazul structurilor monocristaline, în care procesul de difuzie a litiului este promovat de interstițiale, locuri libere și dislocații într-o rețea care este liberă de granițele de granule.

„Abordarea noastră AES/LEED ne permite să clasificăm materialele care sunt atractive pentru difuzia litiului pe baza componentului de rețea pură”, explică Ociepa. „Condițiile care limitează difuzia litiului – cum ar fi oxidarea litiului și prezența granițelor – pot fi, de asemenea, investigate selectiv și independent de alți factori.”

În studiile lor până în prezent, oamenii de știință OCI au identificat trei categorii de materiale față de capacitatea de difuzie „naturală” a litiului: materiale care prezintă o difuzie rapidă în rețea și nici un efect asupra ordinii structurale pe distanță lungă (de exemplu, grafit pirolitic); difuzie moderată a litiului și un anumit efect asupra ordinului pe distanță lungă (de exemplu, carbură de siliciu, diamant sintetic, niobat de litiu și dioxid de titan); și nicio difuzie prin rețea și un efect puternic asupra ordinii structurale pe distanță lungă (de exemplu, siliciu, care necesită un proces de nanoinginerie pentru a crea o cale de difuzie a litiului).

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii