Ytvetenskapliga modaliteter kastar nytt ljus över litiumdiffusion i batterimaterial

OCI Vacuum Microengineering, en kanadensisk tillverkare av specialistinstrument för ytanalys av tunna filmer, tillämpar sin samlade domänkunskap och expertis för att studera lokaliserad litiumdiffusion inom en rad energilagringsmaterial. Förhoppningen är att det interna FoU-initiativet, om det översätts till storskalig kommersiell användning över hela batteriförsörjningskedjan, kommer att ge spelföränderliga analytiska kapaciteter för att snabba upp utvärderingen och optimeringen av nästa generations elektrodmaterial, mellanskikt och stabilisering föreningar för litiumbaserad batteriteknik.

När det gäller projektspecifikationer spårar OCI-teamet fasttillståndslitiumdiffusion från en gasfaskälla till tunnfilmsbatterimaterial med hjälp av två "analytiska arbetshästar" från ytvetenskapsvärlden: Augerelektronspektroskopi (AES) och lågenergi elektrondiffraktion (LEED). Utplacerade i tandem ger de två modaliteterna kompletterande insikter om provet som studeras, med AES som undersöker grundämnessammansättningen i den ytnära miljön (vanligtvis till ett djup av 3–10 nm), medan LEED bestämmer ytstrukturen hos enkristallin. material via bombardemang med en kollimerad stråle av lågenergielektroner (och efterföljande observation av diffrakterade elektroner på en fluorescerande skärm).

Unika perspektiv

OCI grundades 1990 och har redan en internationell FoU-kundbas som använder sina LEED- och AES-spektrometrar för att karakterisera alla slags nanomaterial. Nyckelapplikationer inkluderar 2D-material, organiska tunna filmer för elektroniska enheter, avancerad solcellsteknik och magnetiska tunna filmer (för spintroniska och supraledande applikationer) – i varje fall säkerställer kompatibilitet med nästan alla vakuumtunnfilmsavsättningssystem (inklusive molekylär strålepitaxi och kemisk ångavsättning). ).

"Just nu är användningen av ytvetenskapliga verktyg för att utvärdera litiumdiffusion i energilagringsmaterial en proof-of-princip strävan från vår sida", förklarar Jozef Ociepa, VD och chefsforskare vid OCI. Målet, tillägger han, är att använda verkliga experimentella data för att utbilda potentiella och befintliga kunder om användbarheten av AES/LEED för deras batteri-FoU-program – och i processen öppna upp nya kommersiella möjligheter för OCI. "Vi vill visa batteritillverkare och avancerade materialföretag hur LEED och AES kan hjälpa dem att se med "nya ögon" på batteriprestanda – utvärdera den grundläggande fysiken hos nya anod- och katodmaterial, till exempel i de tidiga stadierna av produkten utvecklingscykel."

Allt detta är viktigt med tanke på batteriindustrins obevekliga sökande efter innovativa elektrodmaterial som kan ackumulera fler litiumjoner i sina kristallina strukturer, samtidigt som de säkerställer hög litiumjonrörlighet, stabil laddningscykel och förlängd livslängd. "Visst är litiumjonbaserad batteriteknik en bevisad framgång, men det finns fortfarande grundläggande prestandaproblem att ta itu med", konstaterar Ociepa. Dessa problem inkluderar låg energitäthet, kapacitetsförsämring och dendrittillväxt (trädliknande litiumstrukturer som kan leda till katastrofala batterifel). "Användningen av LEED och AES kommer att öppna upp ett bredare spektrum av analytiska möjligheter för att bättre karakterisera nästa generation av batterimaterial", tillägger han.

Ociepa och kollegor har utvecklat sina Litiumdiffusionstestare, som kräver en driftmiljö med ultrahögt vakuum (UHV), under de senaste 18 månaderna och presenterade initiala forskningsresultat för en rad material vid Electrochemical Society (ECS) årsmöte i Atlanta, GA, i oktober förra året (se "Hur grundläggande fysik driver batteriprestanda", nedan). Med tanke på att AES- och LEED-instrument är beprövade OCI-produktlinjer, ligger det tekniska genombrottet i integrationen av flera kärnbyggnadsblock i diffusionstestsystemet - specifikt AES/LEED-konfigurationen, litiumförångningskällan, provstegskylning och värme, samt lastlås och handskfacket.

"Litium Diffusion Tester är nu ett nyckelfärdigt system som är redo att skickas till kunder med sex månaders ledtid från beställning", konstaterar Ociepa. "Vi är för närvarande i stadiet för att implementera och validera plattformen på en rad batterimaterial, inklusive nanostrukturerat kisel, kiselkarbid och högorienterad pyrolytisk grafit."

Lokalisering är nyckeln

Teknikinnovation pågår också, och OCI-teamet har nyligen integrerat en UHV-kompatibel elektrokemisk testcell tillsammans med Lithium Diffusion Tester. Denna utökade konfiguration öppnar vägen för in-situ ytkarakterisering av individuella batterielektroder med LEED och AES, med de komponenter som kan överföras från den elektrokemiska testcellen till diffusionstestkammaren utan att bryta vakuumförhållandena.

Den stora vinsten här är användningen av ytvetenskapliga metoder för att mäta litiumdiffusion inom enskilda elektroder separat från battericellen – ett betydande framsteg för batteritillverkare, vars traditionella elektrokemiska testmetoder spårar litiumdiffusion över anod, katod och elektrolyt kombinerat i cell. "Vår AES/LEED-metod erbjuder oöverträffad lokalisering och en mer detaljerad bild för att informera om prestandatestning, försämrings- och felanalys och livstidsförutsägelsemätningar på kandidatmaterial för nästa generations batterier", konstaterar Ociepa.

I slutändan, avslutar Ociepa, har de kombinerade modaliteterna potentialen att generera unika datamängder om litiumdiffusion som industrin inte kan få på något annat sätt. "Vi tror att den här kapaciteten kommer att ge en alternativ syn på batteriprestanda, snabba upp introduktionen av nya kandidatmaterial samtidigt som vi identifierar kritiska felpunkter tidigt i produktutvecklingscykeln."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/surface-science-modalities-shed-new-light-on-lithium-diffusion-in-battery-materials/