Solid State Electrolyten (SSE's) spelen een cruciale rol in de toekomst van batterijtechnologieën, vooral voor toepassingen waarbij een breed temperatuurbereik vereist is. Ze bieden een fysieke barrière tussen de kathode- en anode-elektroden, waardoor thermische doorbraken en kortsluitingen bij hoge temperaturen of na impacten worden voorkomen. Een ander belangrijk voordeel van SSE's is hun vermogen om de groei van lithium-dendrieten te onderdrukken, wat essentieel is voor het veilige gebruik van lithium-metaal anodes in batterijen. De mogelijkheid om lithium-metaal als anode te gebruiken zonder dat dendrieten de prestaties verminderen, maakt deze technologie bijzonder veelbelovend voor de ontwikkeling van lithium-ion batterijen (LIB's).

De essentie van de toekomstige batterijtechnologieën ligt in het verbeteren van de eigenschappen van de materialen die worden gebruikt voor de kathodes, anodes en elektrolyten. Om commerciële vereisten te vervullen, zijn drie kernvereisten cruciaal: een hoge ionische geleidbaarheid, gunstige mechanische eigenschappen en een uitstekende stabiliteit bij interfaces met elektroden. Diverse soorten SSE's zijn ontwikkeld, waaronder anorganische solid state elektrolyten (zoals sodium superionic conductor, perovskiet, garnet en sulfide typen), polymeer- en composiet elektrolyten, en dunne-film elektrolyten. De ionische geleidbaarheid van lithium in geselecteerde anorganische elektrolyten is significant hoger dan die van conventionele organische vloeibare elektrolyten, met sommige structuren die geleidbaarheden bereiken tot 10^-2 tot 10^-3 S/cm bij kamertemperatuur.

De vooruitgang in de lithium-ion batterijtechnologie is nauw verbonden met de voortdurende zoektocht naar materialen die een hogere energiedichtheid mogelijk maken. In de praktijk betekent dit dat nieuwe kathodematerialen met zowel een hoog vermogen als een hoog voltage verder ontwikkeld moeten worden. Het verbeteren van de capaciteit van de kathode is de meest effectieve manier om de energiedichtheid van batterijen te verhogen. Bovendien kunnen kathodes met een hoger voltage de complexiteit van batterijmodules verminderen. Bij de anodes zal het mengen van verschillende materialen om complementaire eigenschappen te combineren een veelbelovende richting zijn.

Snelladen is een belangrijke factor voor de consumentbeleving van batterijen. Volgens de United States Advanced Battery Consortium (USABC) moet het mogelijk zijn om 80% van de capaciteit van een batterij in slechts 15 minuten op te laden. Dit betekent dat de laadsnelheid 4C of hoger moet zijn. Het ontwikkelen van snellaadbare kathode- en anodematerialen is daarom essentieel voor de toekomst van mobiele apparaten en elektrische voertuigen.

Het is belangrijk om te benadrukken dat, hoewel er aanzienlijke vooruitgangen zijn geboekt, een compleet begrip van de relatie tussen samenstelling, structurele evolutie en de prestaties van batterijen nog steeds beperkt is. Geavanceerde karakteriseringstechnieken, zoals in situ en operando hulpmiddelen, cryo-elektronenmicroscopie, en theoretische/computationale analyses, zullen nodig zijn om verdere doorbraken te realiseren.

Naast de technologische uitdagingen, spelen omgevingsfactoren een grote rol in de prestaties en de levensduur van batterijen. Zowel hoge als lage temperaturen kunnen de capaciteit en de operationele levensduur van lithium-ion batterijen aanzienlijk verminderen. In warme omgevingen kunnen batterijen thermische doorbraak ondergaan, wat kan leiden tot kortsluiting, brand of zelfs explosies. Bij lage temperaturen kan de groei van lithium-dendrieten plaatsvinden, wat eveneens leidt tot kortsluiting of falen van het opstarten van de batterij. Daarom is een effectief batterijthermomanagementsysteem (BTMS) van cruciaal belang om de levensduur van batterijmodules en -packs te maximaliseren.

De noodzaak voor duurzame recycling van lithium-ion batterijen is een ander belangrijk aspect. Hoewel er al recyclingtechnologieën voor LIB's zijn ontwikkeld, is het gebied van recycling nog lang niet volwassen. Er zijn voortdurend inspanningen nodig om de technologie te verbeteren, en hierbij zouden overheden, eindgebruikers, batterijproducenten en recyclers een grotere rol moeten spelen.

In de toekomst zal de focus liggen op het verder verbeteren van de efficiëntie van de batterijmaterialen en het oplossen van de operationele en veiligheidsproblemen die gepaard gaan met extreme temperaturen. Het ontwikkelen van snelladende batterijen die zowel veilig als duurzaam zijn, zal een belangrijke stap zijn in de richting van een energie-efficiënte en op lange termijn houdbare samenleving. Het werk aan de ontwikkeling van nieuwe materialen voor zowel anodes als kathodes, alsmede het verbeteren van de elektrolyten, zal de sleutel zijn tot het realiseren van een commercieel succesvolle batterijtechnologie die de basis zal vormen voor de volgende generatie energie-opslagsystemen.

Wat zijn de belangrijkste factoren die de prestaties van lithium-ionbatterij-elektrolyten beïnvloeden?

De prestaties van lithium-ionbatterijen worden sterk bepaald door de eigenschappen van de elektrolyt die ze bevatten. De elektrolyt speelt een cruciale rol bij het faciliteren van de ionenbeweging tussen de anode en de kathode, wat essentieel is voor de laad- en ontlaadcycli van de batterij. Het begrijpen van de concentratie- en snelheidsprofielen van lithium-ionen in de elektrolyt is van fundamenteel belang voor het verbeteren van de algehele efficiëntie en levensduur van batterijen.

Recente onderzoeken hebben aangetoond dat de dynamica van lithium-ionen in polymeer-elektrolyten complexe interacties met de structurele en chemische eigenschappen van het elektrolyt veroorzaakt. Dit heeft invloed op zowel de snelheid van ionenbeweging als op de mate van ionische conductiviteit. De concentratie van lithium-ionen in verschillende gebieden van de batterij kan variëren afhankelijk van de laadstatus en de lokale eigenschappen van het elektrolyt, wat de efficiëntie van het opladen en ontladen kan beïnvloeden.

Bovendien is de rol van de elektrolyt bij de vorming van de kathode-elektrolytinterfase (CEI) van groot belang. De CEI is een dunne laag die zich vormt aan de interface tussen de kathode en het elektrolyt, en deze laag beïnvloedt direct de chemische stabiliteit en de elektrische prestaties van de batterij. Het begrijpen van de manier waarop lithium-ionen zich intercaleren en de elektrode door diffunderen, is essentieel voor het ontwerp van elektrolyten die bestand zijn tegen degradatie, wat de levensduur van de batterij ten goede komt.

Er wordt ook veel aandacht besteed aan de rol van temperatuur in de elektrolytprestaties. Hoge temperaturen kunnen de ionaire mobiliteit in de elektrolyt verbeteren, maar dit gaat vaak gepaard met verhoogde degradatie van de elektrolyt zelf en de kathode-elektrolytinterfase, wat de langetermijnstabiliteit van de batterij kan verminderen. Om deze reden worden elektrolyten onderzocht die bestand zijn tegen thermische degradatie, en wordt er gewerkt aan geavanceerde methoden zoals het gebruik van nanomaterialen om de thermische stabiliteit te verbeteren.

Een ander belangrijk aspect dat vaak over het hoofd wordt gezien, is de invloed van ionische concentraties op de elektrolytstructuur. Veranderingen in de concentratie van lithium-ionen kunnen leiden tot het ontstaan van lokale elektrische velden die de ionenbeweging beïnvloeden. Het is daarom essentieel om de optimale concentratie van lithium-ionen te bepalen die zowel de ionische geleidbaarheid bevordert als de stabiliteit van het elektrolyt garandeert. Verschillende methoden, zoals röntgenabsorptiespectroscopie, worden gebruikt om de lokale ionenconcentraties in de elektrolyt te monitoren, wat waardevolle informatie oplevert voor het verbeteren van de batterijprestaties.

Er is ook groeiende interesse in het ontwikkelen van hybride elektrolyten die verschillende elektrolytcomponenten combineren om de ionische geleidbaarheid en stabiliteit te verbeteren. Deze hybride systemen kunnen helpen om de tekortkomingen van traditionele elektrolyten te overwinnen, zoals beperkte thermische stabiliteit en de neiging tot elektrische ontlading onder hoge belasting.

Wat essentieel is om te begrijpen, is dat de prestaties van de batterij niet enkel afhankelijk zijn van de eigenschappen van de elektrolyt op zichzelf, maar ook van de interacties tussen de elektrolyt, de elektroden en de externe factoren zoals temperatuur en belasting. Daarom moet het ontwerp van elektrolyten zorgvuldig worden afgesteld, rekening houdend met al deze variabelen om optimaal te presteren in verschillende toepassingen van lithium-ionbatterijen.

Hoe nanodeeltjes te prepareren voor Atom Probe Tomography (APT): Sharpening, Reiniging en Cryogene Transporttechnieken

De voorbereiding van monsters voor Atom Probe Tomography (APT) is een cruciaal proces voor het verkrijgen van gedetailleerde en betrouwbare resultaten van materiaaleigenschappen op atomair niveau. APT vereist nauwkeurige manipulatie van de monsters, waarbij verschillende technieken worden toegepast om de monsters in de juiste vorm te brengen voor analyse. Twee belangrijke processen zijn het scherpen van de monsters en het reinigen met lage-energie ionen. Beide stappen zijn essentieel voor het verkrijgen van consistente en reproduceerbare gegevens.

Scherpstellen van de monsters

In 1998 introduceerden Larson et al. twee methoden voor het scherpen van bulk materialen tot naaldvormige monsters voor APT. De eerste methode is het zogenaamde "annular milling" (ringfreesen), waarbij een ionenstraal in een circulair patroon over het monster wordt gescand. Dit patroon wordt steeds kleiner totdat het een scherpe punt vormt. Deze methode heeft zich bewezen als de standaardtechniek voor de APT-gemeenschap. Bij deze methode wordt het patroon met een externe diameter die groter is dan de breedte van het monster, aangebracht, om parasitaire pieken te voorkomen die anders ruis zouden kunnen veroorzaken door ionenemissie onder een hoog elektrisch veld. Geleidelijk worden de binnen- en buitendiameters van het patroon verkleind om de gewenste naaldvorm te bereiken.

Een tweede methode voor het scherpen is het "carving" (hakken), waarbij de monsters van de zijkant worden bewerkt door het wegkrassen van materiaal, totdat de gewenste naaldvorm wordt bereikt. Dit proces zorgt ervoor dat de schacht van het monster een goed gecontroleerde hoek heeft, iets wat met annular milling moeilijker te verkrijgen is wanneer de freessnelheden tussen het monster en het postmateriaal sterk verschillen.

Beide methoden vereisen een geleidelijke verlaging van de ionenstraalsterkte, vooral wanneer het patroon kleiner wordt. Dit biedt meer controle over de uiteindelijke puntvorm van het monster.

Reiniging met lage-energie ionen

Na het scherpen is het belangrijk om het monster te reinigen om beschadigingen die tijdens het scherpen zijn ontstaan, te verwijderen. De implantatie en schade die worden veroorzaakt door een 30 keV Ga+ ionenstraal kunnen dieper in het oppervlak van het monster doordringen. Daarom wordt een stap met lage-energie ionen gebruikt, waarbij de straalsterkte wordt verminderd tot onder de 5 keV om de schade te beperken tot minder dan 5 nm. Dit reinigingsproces heeft drie doelen: het verwijderen van de schade van de annular milling of carving stap, het positioneren van de top van het monster op of net boven de regio van interesse (ROI), en het verkleinen van de breedte van de ROI zodat de spanning voor veldverdamping niet hoger is dan het monster aankan.

Bijvoorbeeld, het gebruik van een beschermende laag die tijdens de reiniging wordt verwijderd, is belangrijk voor het behoud van de integriteit van de primaire deeltjes. Dit beschermt de buitenste laag van het monster en zorgt ervoor dat het analysegebied goed wordt gedefinieerd.

Cryogene Vervoer naar de Atom Probe

Bij het uitvoeren van APT-analyse op materialen die gevoelig zijn voor lucht- en temperatuurveranderingen, zoals lithium-ionbatterijen, kan het nodig zijn om monsters cryogeen te vervoeren om oxidatie en oppervlakteverontreiniging te voorkomen. Het standaard APT-proces vereist vaak dat monsters met een hoge oppervlak-tot-volumeverhouding worden voorbereid, wat hen bijzonder gevoelig maakt voor veranderingen in hun omgeving tijdens het transport.

Een innovatieve oplossing voor dit probleem is de ontwikkeling van het Cryogene Vacuum Transfer System (VCTM), een geavanceerd systeem dat is ontwikkeld door de Max Planck Institute for Steel Research (Duitsland), CAMECA (Verenigde Staten) en Ferrovac (Zwitserland). Dit systeem is ontworpen om monsters in een gecontroleerde omgeving, met lage temperaturen en hoge vacuümcondities, snel te transporteren tussen verschillende instrumenten. Het zorgt ervoor dat monsters niet worden blootgesteld aan lucht of temperatuurveranderingen die de resultaten van APT zouden kunnen beïnvloeden.

Echter, het gebruik van het VCTM voor lithiumbevattende materialen bevindt zich nog in een experimentele fase. Er zijn gevallen waarin monsters die bij cryogene temperaturen zijn gescherpt en onder ultra-hoge vacuümomstandigheden (UHV) zijn getransporteerd, aanzienlijke delithiering vertonen. Dit wordt mogelijk veroorzaakt door oppervlakte-modificaties die een beschermend effect hebben tegen veldpenetratie, maar de aard van deze modificatie is nog niet volledig begrepen.

Het is essentieel dat de omgeving en de transportomstandigheden goed worden gecontroleerd om te zorgen voor nauwkeurige en reproduceerbare APT-analyses, vooral voor gevoelige materialen zoals die in lithium-ionbatterijen.

Deze technieken vormen de basis voor geavanceerde karakterisering van nanomaterialen en bieden cruciale inzichten in de atomaire structuur van materialen die worden gebruikt in batterijtechnologieën, elektronische componenten en andere geavanceerde toepassingen. De voorbereiding van monsters is niet slechts een technische uitdaging, maar vereist een diep begrip van de interacties tussen het materiaal en de gebruikte instrumenten.

Hoe SIMS-technieken de analyse van Li-ion batterijen verbeteren: Coatings, degradatie en SEI-vorming

In de wereld van lithium-ionbatterijen (LIB’s) speelt het begrip van de elektrodematerialen en hun interacties met verschillende coatings en passivatielagen een cruciale rol in het verbeteren van de prestaties en levensduur van batterijen. Een van de meest geavanceerde analysemethoden die wordt gebruikt om inzicht te krijgen in deze processen is Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). Deze techniek, met name Time-of-Flight SIMS (ToF-SIMS), biedt gedetailleerde informatie over de samenstelling van de oppervlakken van materialen, waaronder coatings, degradatieproducten en de complexe samenstelling van de Solid Electrolyte Interface (SEI).

SIMS biedt de mogelijkheid om met grote precisie de verdeling van verschillende elementen in en op elektrodematerialen te analyseren. Een belangrijk voorbeeld hiervan is de studie van de passivatielaag op lithium-elektroden, uitgevoerd door Otto et al. Het onderzoek toonde aan dat de passivatielaag op een lithium-elektrode uit meerdere nanometers dikke lagen bestond, waarbij de buitenste regio hoofdzakelijk uit LiOH en Li2CO3 bestond. Dit is van groot belang, aangezien passivatielagen vaak over het hoofd worden gezien in studies vóór de samenstelling van een volledige batterijcel.

Coatings op elektroden zijn een ander gebied waar SIMS veelvuldig wordt toegepast. Bij de analyse van coatings gaat het er vaak om de succesvolle depositie en homogene spreiding van de coatings te bevestigen. Zo bevestigden Fedorková et al. de afzetting van een polyethyleenglycol- en polypyrrole-coating op LiFePO4-deeltjes, een materiaal dat als kathode in een LIB kan worden gebruikt. Neudeck et al. gebruikten organofosfaten voor de coating van NCM-deeltjes, waarbij zij een volledige 3D-reconstructie van de ToF-SIMS-analyse presenteerden. Dit soort gedetailleerde 3D-visualisatie is bijzonder waardevol voor het begrijpen van de effectiviteit en uniformiteit van coatings, en kan zelfs helpen bij het verbeteren van de prestaties van de batterijen door een beter begrip van de verdeling van elementen op het oppervlak en in de diepte van de deeltjes.

In het geval van anorganische coatings, zoals Li3PO4, werd door Jo et al. en Lee et al. bevestigd dat deze lagen zich succesvol afzetten op NCM-deeltjes. Het werk van Hong et al. is opmerkelijk omdat het de zeldzame toepassing van magnetische sector SIMS in LIB-analyses illustreert, wat waardevolle inzichten opleverde over de verdeling van elementen zoals B, Al, Mn en Ni op gecoate deeltjes.

Degradatieanalyse is een ander essentieel aspect van LIB-onderzoek waarin SIMS-technieken onmisbaar zijn. Door de elementen in de elektroden te monitoren, kan de degradatie van de batterij nauwkeurig worden gevolgd. Börner et al. gebruikten een combinatie van technieken, waaronder SEM en ToF-SIMS, om de degradatie van NCM-elektroden te bestuderen. Dit onderzoek toonde aan dat er een voorkeur is voor het oplossen van mangaan uit het materiaal en dat dit mangaan zich vervolgens herplaatst op het oppervlak van de deeltjes, wat duidt op een chemische reactie die bijdraagt aan de afname van de prestaties van de batterij.

Degradatietests uitgevoerd door Gilbert et al. op NCM/graphite-cellen bevestigden ook dat de aanwezigheid van mangaan op de kathode na intensieve cycli duidelijk zichtbaar was door ToF-SIMS, en toonden aan hoe coatings de vorming van ongewenste bijproducten zoals zwavel, fosfor en fluor kunnen verminderen. De analyse van dergelijke bijproducten kan waardevolle aanwijzingen geven over de chemische reacties die optreden tijdens het gebruik van de batterij en de factoren die bijdragen aan de veroudering van de materialen.

Een van de belangrijkste voordelen van SIMS is dat het kan worden gecombineerd met multivariate analyse (MVA). Dit statistische hulpmiddel maakt het mogelijk om patronen en relaties tussen de geanalyseerde variabelen te identificeren, zelfs wanneer er weinig kennis is over het monster. De toepassing van MVA in degradatiestudies, zoals die door Heller et al., biedt diepgaand inzicht in de veranderingen die optreden in de elektroden tijdens de cycli, wat kan helpen bij het ontwikkelen van batterijen die langer meegaan en beter presteren. Dankzij deze benadering kan de complexiteit van de spectrumanalyse van SIMS-data beter worden begrepen, en kan zelfs een significante hoeveelheid onbekende pieken in de massaspectra worden geïdentificeerd, wat de diepgang van de analyses verder vergroot.

Ten slotte is het belangrijk te benadrukken dat de vorming van de SEI een complex proces is waarbij meerdere chemische verbindingen betrokken zijn, en dat het een uitdaging is om de samenstelling van de SEI nauwkeurig te bepalen met SIMS. In veel gevallen wordt SIMS gebruikt om kwalitatieve informatie te verkrijgen over de SEI, maar het wordt vaak gecombineerd met andere technieken, zoals XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), om een completer beeld te krijgen van de chemische samenstelling. Onderzoek door Peled et al. heeft bijvoorbeeld aangetoond dat de SEI op grafiet sterk inhomogeen is, met een verhoogde concentratie organische stoffen op de basale vlakken van het materiaal, wat de uitdaging bij het analyseren van SEI verder benadrukt.

Het is essentieel te begrijpen dat de analyse van elektrodematerialen en hun interacties met coatings en passivatielagen niet alleen gericht is op het verbeteren van de batterijtechnologie, maar ook op het verbeteren van de veiligheid en de duurzaamheid van lithium-ionbatterijen. Het juiste gebruik van SIMS en andere geavanceerde technieken biedt de mogelijkheid om de ontwikkeling van batterijen met een langere levensduur en betere prestaties te versnellen. De complexiteit van de chemische processen in deze systemen vereist echter een diepgaande en multidimensionale benadering, waarbij elke analysetechniek zijn specifieke rol speelt in het verkrijgen van waardevolle gegevens over de toestand van de materialen.

Hoe speelt herhaling een rol in politieke toespraken: Een analyse van Trump’s retoriek
Hoe de Magneto-Elastische Eigenschappen van Ferromagnetische Materialen de Gedrag van Golfbewegingen Beïnvloeden
Hoe wordt het mysterie van de Magic Mine ontrafeld en wat ligt daarachter?
Hoe de Maan de Evolutie van het Leven op Aarde Vormde