De afgelopen drie decennia hebben de lithium-ion batterijen grote successen geboekt, vooral in de sectoren van consumentenelektronica, elektrische voertuigen en slimme netwerken. Echter, er zijn nog steeds aanzienlijke uitdagingen op het gebied van de verdere optimalisatie van energie- en vermogensdichtheid, coulombische efficiëntie, cycli van de batterijlevensduur, laadsnelheid en milieu-adaptatie. Om deze obstakels te overwinnen, is het noodzakelijk om een diepgaande kennis te verkrijgen van de reacties die zich in de batterij voordoen en de dynamische evolutie van elk van de componenten te begrijpen. Microscopen en microanalyse bieden geavanceerde analytische technieken die in staat zijn de structuur en chemie op atomaire resolutie te onderzoeken, en spelen dus een cruciale rol in het bevorderen van de verdere ontwikkeling van lithium-ion batterijen.

Geavanceerde technieken zoals elektronenmicroscopie, röntgendiffractie en massaspectrometrie zijn in staat om de onderliggende fysische en chemische processen binnen een batterij in detail te karakteriseren. Door deze technieken kunnen onderzoekers de lokale elektrochemische fenomenen binnen een batterij nauwkeurig volgen en beter begrijpen hoe materialen zich gedragen tijdens het opladen en ontladen. Dit is van fundamenteel belang voor de ontwikkeling van batterijen die zowel efficiënt als veilig zijn.

Met behulp van elektronenmicroscopie kunnen bijvoorbeeld de structurele veranderingen in de elektroden tijdens de laads- en ontlaadcycli in beeld worden gebracht. Dit helpt bij het identificeren van de mechanismen die leiden tot de degradatie van de batterij, zoals de vorming van dendrieten of het verlies van actieve materialen. Atomprobe tomography (APT) biedt de mogelijkheid om atomaire informatie te verkrijgen over de verdeling van elementen in de batterijstructuur, wat cruciaal is voor het begrijpen van de prestaties en levensduur van de batterij op microniveau.

Daarnaast zijn technieken zoals secundaire ionen massa spectrometrie (SIMS) en elektrochemische massaspectrometrie (DEMS) nuttig voor het meten van de samenstelling van de elektrolyt en de veranderingen in de ionenflux tijdens de elektrochemische reacties. In-situ technieken, zoals synchrotron röntgen- en neutronentechnieken, bieden de mogelijkheid om de structuur van de materialen in real-time te volgen terwijl de batterij in werking is, waardoor nieuwe inzichten worden verkregen over het interne gedrag van de batterij tijdens gebruik.

De toepassing van deze technieken vereist echter ook zorgvuldige afstemming en integratie. Het is essentieel dat onderzoekers beschikken over de juiste opstellingen en procedures voor experimenten om de gewenste gegevens te verkrijgen. Dit betekent dat niet alleen de theoretische kennis van de technieken van belang is, maar ook de praktische vaardigheden om experimenten goed uit te voeren en te interpreteren. De keuze van de juiste analysemethode hangt af van het type vraag dat beantwoord moet worden en van de specifieke eigenschappen van de materialen die onderzocht worden.

Met de voortdurende verbetering van batterijtechnologieën komt de rol van geavanceerde karakterisatie technieken steeds meer in het centrum van het onderzoeksproces. Deze technieken stellen onderzoekers in staat om niet alleen de huidige status van lithium-ion batterijen te begrijpen, maar ook om nieuwe materialen en constructies te ontwerpen die de prestaties en de veiligheid van batterijen kunnen verbeteren.

Naast de bestaande analytische methoden zou de verdere ontwikkeling van hybride technieken, die verschillende analysemethoden combineren, een belangrijke stap kunnen zijn. Deze methoden zouden bijvoorbeeld de elektronenmicroscopie kunnen combineren met in-situ röntgendiffractie om zowel structurele als chemische veranderingen op de nanoschaal te bestuderen. Dergelijke innovaties zullen de mogelijkheid bieden om batterijen met een hogere energie- en vermogensdichtheid te ontwikkelen, die sneller opladen en langer meegaan.

De energiebehoefte van de moderne samenleving blijft groeien, en de druk om duurzamere en efficiëntere energieopslagoplossingen te ontwikkelen is groter dan ooit. Het vermogen om batterijmaterialen op atomaire schaal te analyseren, is dus niet alleen een wetenschappelijke uitdaging, maar een belangrijke factor in de transitie naar een duurzamere toekomst.

Wat is de rol van cryogene elektronenmicroscopie in de analyse van lithium-ionbatterijen en elektroden?

Cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM) heeft zich bewezen als een onmisbaar instrument voor het gedetailleerd onderzoeken van de microstructuur van lithium-ionbatterijen, met name bij de analyse van lithium-metaalanoden en solid-state batterijen. Door de uiterst lage temperaturen waarbij het proces plaatsvindt, kunnen onderzoekers de veranderingen in de interface tussen elektrolyten en elektroden nauwkeurig volgen zonder dat er schade optreedt door de gewone invloeden van hoge temperaturen. Dit biedt diepgaand inzicht in de dynamiek van de batterijen tijdens het laden en ontladen, wat van cruciaal belang is voor het verbeteren van de prestaties en de levensduur van batterijen.

Cryo-EM maakt het mogelijk om veranderingen in de microstructuur van lithium-metaalanoden te visualiseren. Zo kunnen dendrieten, die een van de belangrijkste oorzaken zijn van falen in lithium-metaalanoden, gedetailleerd in beeld worden gebracht. Het begrijpen van de manier waarop deze dendrieten zich ontwikkelen en hun invloed op de batterijprestaties kan leiden tot ontwerpstrategieën die deze problemen verminderen of zelfs elimineren. Bovendien is cryo-EM in staat om de verdeling van verschillende componenten, zoals de elektrolyten, op atomair niveau te onderzoeken. Dit stelt onderzoekers in staat om de interacties tussen de lithium-ionen, het elektrolyt en het anodemateriaal te begrijpen, wat essentieel is voor de ontwikkeling van meer efficiënte en stabiele batterijen.

De toepassing van cryo-EM in lithium-ionbatterijen biedt ook mogelijkheden voor het in-situ bestuderen van elektrochemische processen. Het gebruik van cryo-statische technieken stelt wetenschappers in staat om processen te volgen terwijl ze zich voordoen, bijvoorbeeld tijdens de lithiation- en delithiationfasen. Dit levert waardevolle gegevens op over hoe materialen zich gedragen onder operationele omstandigheden, zoals de fasetransities die optreden wanneer lithium-ionen in- of uit de elektroden diffunderen.

In de afgelopen jaren is er veel vooruitgang geboekt in de technologische ontwikkelingen rondom cryo-EM, wat heeft geleid tot steeds hogere resoluties en verbeterde mogelijkheden voor het volgen van atomaire interacties. Studies hebben aangetoond dat de techniek cruciaal is voor het in kaart brengen van de chemische veranderingen die optreden in de elektrodenmaterialen, zoals in de gevallen van lithium-kobaltoxide (LiCoO2) of lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4). Dit biedt niet alleen inzicht in de structurele integriteit van elektroden, maar helpt ook bij het identificeren van de mechanismen die leiden tot capaciteitsverlies of degradatie van het materiaal.

Naast het onderzoeken van elektroden kunnen cryo-EM-technieken ook toegepast worden op de interfaces tussen verschillende materialen in solid-state batterijen. Het vermogen om de elektrolyten en de elektroden op atomair niveau te analyseren, heeft geleid tot nieuwe inzichten in de stabiliteit van vaste elektrolyten en de processen die de prestaties van solid-state batterijen beïnvloeden. Dit kan de weg vrijmaken voor het ontwerp van batterijen met een hogere energiedichtheid, verbeterde veiligheid en langere levensduur.

Belangrijk om te begrijpen is dat de resultaten van cryo-EM niet alleen van belang zijn voor de fundamentele wetenschap, maar ook voor praktische toepassingen in de batterijtechnologie. De kennis die wordt opgedaan uit de gedetailleerde beelden van de interfaces en microstructuren kan direct bijdragen aan de ontwikkeling van betere, efficiëntere batterijen. Vooral in de context van elektrische voertuigen en draagbare elektronica, waar lange levensduur en betrouwbare prestaties essentieel zijn, is dit van groot belang.

Er is echter ook een bredere context die van invloed is op de effectiviteit van cryo-EM-technieken in batterijenonderzoek. Naast de techniek zelf moeten onderzoekers rekening houden met de uitdagingen van het materiaalgedrag tijdens langdurig gebruik, wat vaak resulteert in veroudering of zelfs catastrofale faalmechanismen zoals dendrieten of scheuren in de elektroden. Het is van essentieel belang dat de technologie niet alleen in laboratoriumomstandigheden succesvol is, maar ook bestand is tegen de realistische, dynamische omstandigheden waarin batterijen werken. Verder is het cruciaal om het effect van verschillende stoffen in het elektrolyt te begrijpen, aangezien deze de stabiliteit van de interface tussen de elektroden en de elektrolyt sterk kunnen beïnvloeden.

Endtext

Hoe Atom Probe Tomografie de Analyse van Lithium-Ion Batterijmaterialen Verandert

De wereldwijde markt voor lithium-ionbatterijen groeit in hoog tempo en zal naar verwachting blijven uitbreiden. Deze groei wordt grotendeels gedreven door de toenemende toepassing van elektrische voertuigen, opslag van energie op het net, en draagbare consumentenelektronica, waarbij lithium-ionbatterijen de hoogste energiedichtheid en uitgangsspanning bieden van alle commerciële oplaadbare batterijsystemen. Verbeteringen in de prestaties vereisen de ontwikkeling van nieuwe batterijcomponenten, evenals het begrijpen en aanpakken van de mechanismen die leiden tot prestatievermindering bij herhaald opladen en ontladen. De mogelijkheid om driedimensionale compositie-informatie op nanoschaal te verkrijgen heeft geleid tot de toepassing van atom probe tomografie (APT) in verschillende onderzoeksgebieden voor lithium-ionbatterijen.

De analyse van materialen die gebruikt worden in lithium-ionbatterijen heeft altijd te maken gehad met uitdagingen, vooral als het gaat om het verkrijgen van gedetailleerde informatie op atomaire schaal. APT biedt een oplossing door het mogelijk te maken om materialen op nanoniveau te analyseren, wat helpt bij het begrijpen van de fijnere microstructuren die de prestaties van batterijen beïnvloeden. Dit hoofdstuk richt zich op de toepassing van APT voor de analyse van laaggestructureerde kathodematerialen in lithium-ionbatterijen, met name de NMC-oxiden die op dit moment in de meeste batterijtoepassingen worden gebruikt.

Een van de eerste materialen die commercieel werd gebruikt voor de kathode van lithium-ionbatterijen was LiCoO2, geïntroduceerd door Goodenough in de jaren 80. Hoewel dit materiaal een hoge energiedichtheid bood, werd het geplaagd door hoge kosten en beperkte thermische stabiliteit. Daarom werden alternatieven zoals LiNiO2 en later Li(NiMnCo)O2 (NMC) ontwikkeld. NMC-kathodematerialen bieden een betere balans tussen kosten, thermische stabiliteit en prestaties, wat hen tot een populaire keuze maakt voor moderne batterijen. De combinatie van nikkel, mangaan en kobalt in deze oxiden zorgt voor structurele stabiliteit en helpt de kosten te verlagen, wat essentieel is voor zowel de draagbare elektronica als elektrische voertuigen.

In de experimenten werden twee soorten NMC-kathodematerialen onderzocht, NMC622 en NMC811, die respectievelijk een verhouding van 6:2:2 en 8:1:1 van nikkel, mangaan en kobalt bevatten. Deze materialen werden geanalyseerd met behulp van APT, waarbij gebruik werd gemaakt van laserpulsen van 1,0 pJ en een detectiesnelheid van 0,2% ionen per puls bij een basis temperatuur van 30K. Dit stelde de onderzoekers in staat om gedetailleerde compositiedata te verkrijgen, waarbij een gemiddeld aantal van 6 miljoen ionen per dataset werd verzameld.

De resultaten van de massa-ladinganalyse toonden de verwachte pieken voor kobalt (Co), nikkel (Ni) en molybdeen (Mo), die verschillende ladingstoestanden vertoonden, evenals pieken voor hydroxide-gerelateerde moleculen. De compositieanalyse van de NMC622-materialen liet zien dat de verhoudingen van lithium (Li), nikkel (Ni), mangaan (Mn), kobalt (Co) en zuurstof (O) in goede overeenstemming waren met de verwachte samenstelling. Het Li/Ni-verhouding vertoonde een klein verschil, wat werd verklaard door de aanwezigheid van extra lithium in het materiaal, wat de elektrochemische prestaties van de batterij kan verbeteren. De analyse wees ook op een tekort aan zuurstof, wat vaak voorkomt bij APT-onderzoeken en kan worden verklaard door een aantal factoren, zoals asynchrone verdamping tijdens de analyse of de vorming van neutrale moleculen.

De studie van de verschillen tussen NMC622 en NMC811 toonde aan dat de productieomstandigheden een belangrijke invloed hebben op de uiteindelijke samenstelling en de prestaties van de materialen. APT kan helpen deze verschillen beter te begrijpen door de verhoudingen van de hoofdelementen en eventuele onzuiverheden nauwkeurig te meten, wat essentieel is voor de verdere optimalisatie van de batterijtechnologie.

Het is belangrijk te benadrukken dat APT, ondanks zijn vermogen om gedetailleerde compositie-informatie te verkrijgen, ook zijn beperkingen heeft. Bijvoorbeeld, de detectie van zuurstof kan variëren door het verlies van zuurstofatomen tijdens de analyse, wat vaak voorkomt in atomaire tomografie. Dit benadrukt de noodzaak voor zorgvuldige interpretatie van de gegevens en aanvullende technieken om een volledig beeld van de materiaaleigenschappen te krijgen.

De toepassing van APT in de analyse van lithium-ionbatterijen heeft dus niet alleen het begrip van de fundamentele materiaalstructuren van de kathodes in lithium-ionbatterijen verbeterd, maar biedt ook belangrijke inzichten voor de ontwikkeling van meer efficiënte en duurzame batterijtechnologieën. Het vermogen om op nanoschaal composities en microstructuren te bestuderen, maakt het mogelijk om nieuwe materialen te ontwikkelen die beter presteren in toepassingen zoals elektrische voertuigen en grootschalige energieopslag.

Hoe Kunstmatige Feromooncommunicatie de Interactie van Zwermrobots Beïnvloedt
Hoe kun je effectief Rust leren met Cargo, Clippy en rustfmt?
Hoe Fraternalisatie de Soldaten in de Tweede Wereldoorlog Invloedde op Hun Beleving van de Oorlog
Wat zijn de basisprincipes en klinische praktijken van anti-aging geneeskunde?