Методи дослідження поверхні проливають нове світло на дифузію літію в матеріалах акумуляторів

Вакуумна мікроінженерія OCI, канадський виробник спеціалізованого приладдя для аналізу поверхні тонких плівок, застосовує свої знання та досвід у цій галузі для вивчення локалізованої дифузії літію в ряді матеріалів, що накопичують енергію. Сподіваємося, що внутрішня науково-дослідна ініціатива, якщо її перевести на широке комерційне впровадження в ланцюгу постачання акумуляторів, дасть кардинальні аналітичні можливості для прискорення оцінки та оптимізації електродних матеріалів наступного покоління, прошарок і стабілізаторів. сполуки для технологій літієвих батарей.

Що стосується особливостей проекту, команда OCI відстежує дифузію твердого літію з джерела газової фази в тонкоплівкові акумуляторні матеріали за допомогою двох «аналітичних робочих конячок» світу поверхневих наук: оже-електронної спектроскопії (AES) і низькоенергетичної. дифракція електронів (LEED). Розгорнуті в тандемі обидва способи забезпечують взаємодоповнюючу інформацію про досліджуваний зразок, при цьому AES опитує елементний склад приповерхневого середовища (зазвичай на глибину 3–10 нм), тоді як LEED визначає поверхневу структуру монокристалічного матеріалів через бомбардування колімованим пучком електронів низької енергії (і подальше спостереження за дифрагованими електронами на флуоресцентному екрані).

Унікальні перспективи

Заснована в 1990 році, OCI вже має міжнародну базу клієнтів у сфері досліджень і розробок, яка використовує її спектрометри LEED і AES для характеристики всіх видів наноматеріалів. Основні сфери застосування включають 2D-матеріали, органічні тонкі плівки для електронних пристроїв, передові фотоелектричні та магнітні тонкі плівки (для спінтронних і надпровідних застосувань) – у кожному випадку забезпечується сумісність майже з будь-якою системою вакуумного осадження тонких плівок (включаючи молекулярно-променеву епітаксію та хімічне осадження з парової фази). ).

«На даний момент використання інструментів дослідження поверхні для оцінки дифузії літію в матеріалах для накопичення енергії є доказом принципових зусиль з нашого боку», — пояснює Йозеф Очієпа, президент і головний науковий співробітник OCI. Мета, додає він, полягає в тому, щоб використовувати експериментальні дані реального світу, щоб навчити потенційних і існуючих клієнтів щодо користі AES/LEED для їхніх програм досліджень і розробок акумуляторів – і, у процесі, відкрити нові комерційні можливості для OCI. «Ми хочемо показати виробникам акумуляторів і компаніям, що займаються виробництвом передових матеріалів, як LEED і AES можуть допомогти їм «новими очима» поглянути на продуктивність акумулятора – оцінюючи фундаментальну фізику нових анодних і катодних матеріалів, наприклад, на ранніх стадіях продукту. цикл розвитку».

Все це важливо, враховуючи невпинний пошук індустрією акумуляторів інноваційних електродних матеріалів, здатних накопичувати більше іонів літію у своїх кристалічних структурах, водночас забезпечуючи високу мобільність літій-іонів, стабільний цикл заряду та подовжений термін служби. «Звичайно, технологія літій-іонних акумуляторів є підтвердженим успіхом, але все ще є фундаментальні проблеми з продуктивністю, які необхідно вирішити», — зазначає Осієпа. Ці проблеми включають низьку щільність енергії, зниження ємності та ріст дендритів (деревоподібні літієві структури, які можуть призвести до катастрофічного виходу з ладу акумулятора). «Використання LEED і AES відкриє ширший спектр аналітичних можливостей для кращої характеристики матеріалів акумуляторів наступного покоління», — додає він.

Ociepa та його колеги розробляли свої Тестер дифузії літію, який вимагає робочого середовища з надвисоким вакуумом (UHV), протягом останніх 18 місяців і представив початкові результати досліджень для ряду матеріалів на Щорічні збори Електрохімічного товариства (ECS). в Атланті, штат Джорджія, у жовтні минулого року (див. «Як фундаментальна фізика впливає на продуктивність акумулятора» нижче). З огляду на те, що прилади AES і LEED є випробуваними лінійками продуктів OCI, технологічний прорив полягає в інтеграції багатьох основних будівельних блоків у систему дифузійного тестування, зокрема, конфігурації AES/LEED, джерела випаровування літію, охолодження етапу зразка. і опалення, а також вантажний замок і бардачок.

«Тепер літієвий дифузійний тестер — це готова система, яка готова до доставки клієнтам із шестимісячним терміном виконання замовлення», — зазначає Осієпа. «Наразі ми перебуваємо на етапі впровадження та перевірки платформи для ряду матеріалів для акумуляторів, включаючи наноструктурований кремній, карбід кремнію та високоорієнтований піролітичний графіт».

Локалізація є ключовою

Технологічні інновації також тривають: команда OCI нещодавно інтегрувала електрохімічну тестову комірку, сумісну з УВВ, разом із тестером дифузії літію. Ця розширена конфігурація відкриває шлях до визначення характеристик поверхні окремих електродів батареї на місці за допомогою LEED та AES, причому ці компоненти можна перенести з електрохімічної випробувальної камери в камеру для дифузійних випробувань без порушення умов вакууму.

Великою перемогою тут є використання методів поверхневої науки для вимірювання дифузії літію в окремих електродах окремо від елемента батареї – значний прогрес для виробників акумуляторів, чиї традиційні методи електрохімічного тестування відстежують дифузію літію через анод, катод і електроліт, об’єднані разом у клітина. «Наш підхід AES/LEED пропонує безпрецедентну локалізацію та більш детальну картину для інформування про тестування продуктивності, аналіз погіршення якості та відмов, а також вимірювання прогнозованого терміну служби матеріалів-кандидатів для акумуляторів наступного покоління», — зазначає Осієпа.

Зрештою, робить висновок Очієпа, комбіновані модальності мають потенціал для створення унікальних наборів даних про дифузію літію, які промисловість не може отримати іншим шляхом. «Ми вважаємо, що ця можливість дасть альтернативний погляд на продуктивність батареї, швидке відстеження нових матеріалів-кандидатів і визначення критичних точок збою на ранніх етапах циклу розробки продукту».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/surface-science-modalities-shed-new-light-on-lithium-diffusion-in-battery-materials/