Các phương thức khoa học bề mặt làm sáng tỏ sự khuếch tán lithium trong vật liệu pin

Kỹ thuật vi mô chân không OCI, một nhà sản xuất thiết bị chuyên dụng của Canada để phân tích bề mặt màng mỏng, đang áp dụng kiến ​​thức và chuyên môn chung của mình vào nghiên cứu sự khuếch tán lithium cục bộ trong nhiều loại vật liệu lưu trữ năng lượng. Hy vọng rằng sáng kiến ​​R&D nội bộ, nếu được chuyển sang áp dụng thương mại trên quy mô rộng trong chuỗi cung ứng pin, sẽ mang lại khả năng phân tích thay đổi cuộc chơi để theo dõi nhanh việc đánh giá và tối ưu hóa vật liệu điện cực, lớp xen kẽ và ổn định thế hệ tiếp theo. hợp chất cho công nghệ pin dựa trên lithium.

Về chi tiết cụ thể của dự án, nhóm OCI đang theo dõi sự khuếch tán lithium ở trạng thái rắn từ nguồn pha khí vào vật liệu pin màng mỏng bằng cách sử dụng hai “ngựa phân tích” của thế giới khoa học bề mặt: quang phổ điện tử Auger (AES) và năng lượng thấp nhiễu xạ điện tử (LEED). Được triển khai song song, hai phương thức này cung cấp những hiểu biết bổ sung về mẫu đang nghiên cứu, trong đó AES thẩm vấn thành phần nguyên tố của môi trường gần bề mặt (thường ở độ sâu 3–10 nm), trong khi LEED xác định cấu trúc bề mặt của đơn tinh thể. vật liệu thông qua việc bắn phá bằng chùm electron năng lượng thấp chuẩn trực (và quan sát tiếp theo các electron nhiễu xạ trên màn huỳnh quang).

quan điểm độc đáo

Được thành lập vào năm 1990, OCI đã có cơ sở khách hàng R&D quốc tế sử dụng máy quang phổ LEED và AES để phân tích đặc tính của tất cả các loại vật liệu nano. Các ứng dụng chính bao gồm vật liệu 2D, màng mỏng hữu cơ cho các thiết bị điện tử, quang điện tiên tiến và màng mỏng từ tính (cho các ứng dụng điện tử spin và siêu dẫn) – trong mỗi trường hợp đều đảm bảo khả năng tương thích với hầu hết mọi hệ thống lắng đọng màng mỏng chân không (bao gồm cả epitaxy chùm phân tử và lắng đọng hơi hóa học ).

Jozef Ociepa, chủ tịch kiêm nhà khoa học trưởng tại OCI giải thích: “Hiện tại, việc sử dụng các công cụ khoa học bề mặt để đánh giá sự khuếch tán lithium trong vật liệu lưu trữ năng lượng là một nỗ lực chứng minh nguyên tắc của chúng tôi”. Ông cho biết thêm, mục tiêu là sử dụng dữ liệu thử nghiệm trong thế giới thực để giáo dục khách hàng tiềm năng và khách hàng hiện tại về tiện ích của AES/LEED cho các chương trình R&D về pin của họ - và trong quá trình đó, mở ra những cơ hội thương mại mới cho OCI. “Chúng tôi muốn cho các nhà sản xuất pin và các công ty vật liệu tiên tiến thấy cách LEED và AES có thể giúp họ có cái nhìn mới về hiệu suất của pin – chẳng hạn như đánh giá tính chất vật lý cơ bản của vật liệu cực dương và cực âm mới trong giai đoạn đầu của sản phẩm chu kỳ phát triển.”

Tất cả những điều này đều quan trọng vì ngành công nghiệp pin không ngừng tìm kiếm các vật liệu điện cực cải tiến có khả năng tích lũy nhiều ion lithium hơn trong cấu trúc tinh thể của chúng, đồng thời đảm bảo độ linh động của lithium-ion cao, chu kỳ sạc ổn định và thời gian hoạt động kéo dài. Ociepa lưu ý: “Chắc chắn, công nghệ pin dựa trên lithium-ion đã thành công nhưng vẫn còn những vấn đề cơ bản về hiệu suất cần giải quyết”. Những vấn đề đó bao gồm mật độ năng lượng thấp, suy giảm công suất và tăng trưởng dendrite (cấu trúc lithium giống cây có thể dẫn đến hỏng pin nghiêm trọng). Ông cho biết thêm: “Việc sử dụng LEED và AES sẽ mở ra nhiều khả năng phân tích hơn để mô tả rõ hơn đặc tính của thế hệ vật liệu pin tiếp theo”.

Ociepa và các đồng nghiệp đã và đang phát triển Máy kiểm tra khuếch tán lithium, đòi hỏi môi trường vận hành chân không siêu cao (UHV), trong 18 tháng qua và trình bày những kết quả nghiên cứu ban đầu về nhiều loại vật liệu tại Hội nghị thường niên của Hiệp hội Điện hóa (ECS) ở Atlanta, GA, vào tháng 10 năm ngoái (xem “Vật lý cơ bản thúc đẩy hiệu suất pin như thế nào” bên dưới). Vì các thiết bị AES và LEED là các dòng sản phẩm OCI đã được thử nghiệm và kiểm nghiệm, bước đột phá về công nghệ nằm ở việc tích hợp nhiều khối xây dựng lõi vào hệ thống thử nghiệm khuếch tán – cụ thể là cấu hình AES/LEED, nguồn bay hơi lithium, làm mát giai đoạn mẫu và hệ thống sưởi, cũng như hộp đựng găng tay và khóa tải.

Ociepa lưu ý: “Thiết bị kiểm tra khuếch tán lithium hiện là hệ thống chìa khóa trao tay sẵn sàng giao cho khách hàng với thời gian thực hiện là sáu tháng kể từ khi đặt hàng”. “Chúng tôi hiện đang ở giai đoạn triển khai và xác nhận nền tảng trên nhiều loại vật liệu pin, bao gồm silicon có cấu trúc nano, cacbua silic và than chì nhiệt phân có định hướng cao.”

Bản địa hóa là chìa khóa

Sự đổi mới công nghệ cũng đang được tiến hành, với việc nhóm OCI gần đây đã tích hợp một tế bào thử nghiệm điện hóa tương thích UHV cùng với Máy kiểm tra khuếch tán Lithium. Cấu hình mở rộng này mở đường cho việc mô tả đặc tính bề mặt tại chỗ của từng điện cực pin sử dụng LEED và AES, với các thành phần đó có thể chuyển từ tế bào thử nghiệm điện hóa sang buồng thử nghiệm khuếch tán mà không phá vỡ điều kiện chân không.

Chiến thắng lớn ở đây là việc sử dụng các phương thức khoa học bề mặt để đo độ khuếch tán lithium trong các điện cực riêng biệt với pin – một tiến bộ đáng kể đối với các nhà sản xuất pin, những phương pháp thử nghiệm điện hóa truyền thống của họ theo dõi sự khuếch tán lithium qua cực dương, cực âm và chất điện phân kết hợp với nhau trong tế bào. Ociepa lưu ý: “Phương pháp AES/LEED của chúng tôi cung cấp khả năng bản địa hóa chưa từng có và một bức tranh chi tiết hơn để cung cấp thông tin cho việc kiểm tra hiệu suất, phân tích sự xuống cấp và lỗi cũng như các phép đo dự đoán tuổi thọ trên các vật liệu ứng cử viên cho pin thế hệ tiếp theo”.

Cuối cùng, Ociepa kết luận, các phương thức kết hợp có khả năng tạo ra các bộ dữ liệu độc đáo về khuếch tán lithium mà ngành công nghiệp không thể có được bằng bất kỳ cách nào khác. “Chúng tôi nghĩ rằng khả năng này sẽ mang lại một cái nhìn khác về hiệu suất của pin, thúc đẩy nhanh việc tiếp thu các vật liệu ứng cử viên mới đồng thời xác định sớm các điểm lỗi nghiêm trọng trong chu kỳ phát triển sản phẩm.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/surface-science-modalities-shed-new-light-on-lithium-diffusion-in-battery-materials/