Wat zijn de voordelen van synchrotron X-ray en neutron technieken voor de studie van lithium-ion batterijen?

In de hedendaagse technologie zijn lithium-ion batterijen (Li-ion) van cruciaal belang geworden, vooral vanwege hun toepassingen in consumentenelektronica, elektrische voertuigen en opslag van hernieuwbare energie. De voortgang in batterijtechnologie is echter sterk afhankelijk van geavanceerde analysemethoden die een diepgaande kennis van de interne processen binnen batterijen mogelijk maken. Onder deze methoden nemen synchrotron X-ray en neutron technieken een bijzondere plaats in, gezien hun vermogen om materialen op atomair en moleculair niveau te bestuderen.

Synchrotron X-ray en neutron technieken bieden unieke voordelen bij de bestudering van lithium-ion batterijen vanwege hun vermogen om in real-time en met hoge resolutie te onderzoeken hoe materialen zich gedragen onder verschillende operationele omstandigheden. Deze technieken kunnen de veranderingen in de structuur, chemie en dynamica van de materialen in de batterij, zoals de elektroden en elektrolyten, detecteren zonder dat de batterij gedemonteerd hoeft te worden. Het gebruik van deze technieken is essentieel voor het verbeteren van de prestaties, levensduur en veiligheid van batterijen.

X-ray diffractie (XRD) en neutrondiffractie zijn bijvoorbeeld krachtige technieken die de kristalstructuur van de elektroden kunnen analyseren, wat cruciaal is voor het begrijpen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de oplading en ontlading van de batterij. Deze technieken kunnen ook worden toegepast op kleine schalen, wat betekent dat ze inzicht geven in de lokale eigenschappen van de elektroden en de veranderingen die optreden tijdens het opladen en ontladen van de batterij. Dit maakt het mogelijk om degradatieprocessen te volgen en de invloed van verschillende materiaalstructuren te onderzoeken.

Een ander belangrijk hulpmiddel is Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) en Small-Angle Neutron Scattering (SANS). Deze technieken worden gebruikt om informatie te verkrijgen over de porositeit en de tortuositeit van de elektroden in de batterij. Tortuositeit is een maat voor de complexiteit van de interne structuur van de elektroden en speelt een belangrijke rol in de ionenbeweging binnen de batterij. Het begrijpen van de tortuositeit helpt bij het ontwerpen van batterijen met een efficiëntere ionentransportcapaciteit en daarmee een betere algehele prestaties.

Naast structurele analyses bieden synchrotron X-ray en neutron technieken ook de mogelijkheid om de chemische veranderingen die plaatsvinden tijdens de batterijcyclus te onderzoeken. X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) en Neutron Pair Distribution Function (PDF) technieken kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om te begrijpen hoe de elektroden zich gedragen tijdens de reactie van lithiumionen, wat belangrijke informatie oplevert over de elektrochemische stabiliteit en de degradatie van de batterij.

In de context van lithium-ion batterijen is de elektrische impedantieanalyse (EIS) een andere techniek die vaak in combinatie met synchrotrontechnieken wordt toegepast. EIS biedt waardevolle informatie over de interne weerstand van de batterij en de snelheid van elektrochemische reacties, wat op zijn beurt kan helpen bij het evalueren van de gezondheid en levensduur van de batterij. Het combineren van EIS met synchrotron X-ray en neutron technieken biedt een uitgebreide kijk op de prestaties van batterijen onder verschillende belastingomstandigheden.

Een bijkomend voordeel van synchrotron X-ray en neutron technieken is dat ze in staat zijn om te werken bij verschillende temperaturen, wat de mogelijkheid biedt om thermische effecten en temperatuurgerelateerde degradatieprocessen te onderzoeken. Dit is van bijzonder belang voor de ontwikkeling van batterijen die bestand zijn tegen verschillende omgevingsomstandigheden en voor de verbetering van batterijbeheersystemen die de temperatuur nauwkeurig kunnen regelen.

Naast de technologische vooruitgangen die mogelijk worden gemaakt door deze geavanceerde technieken, is het belangrijk te begrijpen dat de toepassing van synchrotron X-ray en neutron technieken ook kostbaar en technisch veeleisend is. De benodigde apparatuur en de toegang tot synchrotronfaciliteiten vereisen aanzienlijke investeringen en expertise. Niettemin blijven deze technieken een belangrijke pijler in de zoektocht naar nieuwe, efficiëntere en duurzamere batterijtechnologieën.

Endtext

Wat maakt Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) zo krachtig in materiaalanalyse?

Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) is een krachtige techniek die veel wordt gebruikt in de materiaalanalyse, vooral bij het bestuderen van nanostructuren en het verkrijgen van gedetailleerde informatie over de structuur van materialen op atomair niveau. Het principe van SAXS is gebaseerd op de verstrooiing van röntgenstralen door een materiaal, waarbij de verstoorde stralen een patroon vormen dat afhankelijk is van de grootte, vorm en compositie van de nanodeeltjes in het monster.

Het bereik van de Q-waarde, dat het resultaat is van de verstrooiingshoek en de golflengte van de röntgenstralen, speelt een cruciale rol in het vermogen van SAXS om de structuur van materialen te analyseren. Het Q-bereik voor SAXS ligt tussen de 0,06 en 6 nm⁻¹, wat in vergelijking met röntgendiffractie (XRD) veel lager is (6–60 nm⁻¹). Dit lage bereik maakt het mogelijk om zelfs de kleinste nanostructuren te onderzoeken die in andere technieken moeilijk te detecteren zouden zijn. De techniek die wordt uitgevoerd binnen het Q-bereik lager dan 6 nm⁻¹ wordt vaak aangeduid als ultra-small-angle X-ray scattering (USAXS).

SAXS is bijzonder nuttig voor het verkrijgen van gedetailleerde informatie over de vorm en afmetingen van nanodeeltjes, evenals hun interne atomaire compositie en structuur. In tegenstelling tot de vereenvoudigde benadering van het atomaire vormfactor in XRD, die alleen gebruikmaakt van het atoomnummer Z, houdt de vormfactor in SAXS rekening met de atomaire verdeling binnen de nanodeeltjes. Dit maakt het mogelijk om niet alleen de grootte en vorm van de deeltjes te bepalen, maar ook om diepgaande inzichten te verkrijgen in hun interne structuur en de manier waarop ze zich organiseren in materialen.

Het principe van het verkrijgen van verstrooiingssignalen in SAXS is gebaseerd op het verschil in de gemiddelde verstrooiingsdichtheid (scattering length density, SLD) van de deeltjes ten opzichte van het omringende matrixmateriaal. Dit betekent dat de deeltjes een ander SLD moeten hebben dan het omringende materiaal om detecteerbare signalen te genereren. De deeltjes die geanalyseerd kunnen worden, kunnen nanokristallen, bio-macromoleculen, polymeren of zelfs defecten in een materiaal zijn.

SAXS heeft echter een beperking: het kan niet onderscheid maken tussen contrasten die afkomstig zijn van lege ruimtes of van vaste domeinen die hetzelfde absolute verschil in dichtheid vertonen. Dit is een belangrijke overweging bij het interpreteren van de gegevens, omdat de vormfactor en het structurele factoranalyse samen de interpretatie van de resultaten bepalen. SAXS is daarom toepasbaar op verschillende vormen van materialen, van individuele deeltjes tot complexe samengestelde structuren.

Wanneer SAXS wordt gebruikt om de eigenschappen van een groep niet-onderling verbonden deeltjes te onderzoeken, zoals in vloeibare oplossingen, kan het de grootteverdeling van de deeltjes onthullen. Bij een groep met onderlinge correlatie, zoals nanostructuren, kan SAXS gedetailleerde informatie verschaffen over zowel de vormfactor als het structurele factor van het materiaal. Hierdoor is SAXS een krachtig hulpmiddel voor het bestuderen van geavanceerde nanomaterialen, zoals nanodeeltjes in batterijen.

In laboratoriumomstandigheden kan SAXS uitgevoerd worden met behulp van conventionele röntgenbuizen. Echter, vanwege de lage flux kan het verkrijgen van hoogwaardige gegevens veel tijd in beslag nemen. Dit probleem wordt verholpen door synchrotronröntgenstraling, die hogere fluxen en tunable energie heeft. Dit maakt het mogelijk om tijd- en ruimte-resolved SAXS-experimenten uit te voeren, zoals in situ/operando studies, waarbij de evolutie van de nanostructuren tijdens processen zoals lading en ontlading in batterijen kan worden gevolgd.

SAXS wordt ook gebruikt om de structuur van oplosmiddelomhulsels in vloeibare elektrolyten te bestuderen. Bij het analyseren van de microscopische structuur van elektrolyten die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, zoals een mengsel van ethyleencarbonaat (EC) met propyleencarbonaat (PC), werd ontdekt dat de structuren van de oplosmiddelen afhankelijk waren van de combinatie van solventen. In mengsels van EC en lineaire oplosmiddelen zoals ethyleen-methylcarbonaat (EMC) of di-ethyleencarbonaat (DEC), werden clusters van EC-moleculen waargenomen. Dit type informatie kan cruciaal zijn voor de ontwerp van nieuwe, efficiëntere elektrolyten.

Hoe Mechanische Eigenschappen de Levensduur van Lithium-Ion Batterijen Beïnvloeden

Het is algemeen bekend dat batterijmaterialen aanzienlijke volumeveranderingen ondergaan tijdens de elektromechanische processen tijdens het opladen en ontladen. Deze veranderingen hebben invloed op de mechanische eigenschappen van de materialen en zijn daardoor een van de belangrijkste factoren die de levensduur van de batterij bepalen. De degradatie van de mechanische eigenschappen kan de hechting tussen de elektroden en de elektrolyt verminderen, wat leidt tot scheuren in de elektroden en daarmee de levensduur van de batterij verkort. Bovendien kunnen de deeltjes in de elektrodematerialen afbreken en loskomen tijdens het opladen en ontladen, wat resulteert in een geleidelijke falen van het elektrodemateriaal.

De veranderingen in de mechanische eigenschappen van de elektroden zijn sterk gecorreleerd met de topografie van het oppervlak, de elektrische stroom en de elektrochemische vervorming van het materiaal. Dit wordt visueel en kwantitatief vastgelegd door middel van de AM-FM-techniek, die gedetailleerde kaarten van de elasticiteit en de mechanische responsen biedt op verschillende stadia van het laad- en ontlaadproces. De veranderingen in het mechanisch gedrag kunnen daarnaast wijzen op mogelijke structurele problemen binnen de elektroden, zoals breuken of veranderingen in de korrelstructuur, die bijdragen aan de afname van de efficiëntie en de prestaties van de batterij.

Een ander belangrijk aspect van batterijtechnologie betreft de elektrolyt, die in de meeste commerciële lithium-ionbatterijen vloeibaar is. De vloeibare elektrolyten brengen veiligheidsrisico’s met zich mee, zoals lekken of thermische instabiliteit. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van vaste elektrolyten, die een veelbelovende oplossing bieden voor deze problemen. Echter, de ionische geleidbaarheid van de meeste vaste elektrolyten is aanzienlijk lager dan die van vloeibare elektrolyten, wat resulteert in prestatieproblemen bij het gebruik van vaste elektrolyten in batterijen.

De SPM-technieken zijn niet-invasief en kunnen worden toegepast op zowel inerte als dynamische omgevingen, wat ze ideaal maakt voor het bestuderen van de interacties tussen elektroden en elektrolyten in werkende batterijen. Door bijvoorbeeld het gebruik van c-AFM of ESM kan men niet alleen de topografie van het oppervlak van de elektrolyt analyseren, maar ook de elektrische en mechanische eigenschappen op lokale schaal meten. Dit biedt waardevolle informatie over de prestaties van de elektrolyt in verschillende fasen van de batterijcyclus, inclusief mogelijke degradatie door bijvoorbeeld lithiumdepositie.

Daarnaast is het van belang dat de mechanische spanningen die tijdens het opladen en ontladen ontstaan, kunnen bijdragen aan de interfaciale stabiliteit tussen de elektrolyt en de elektroden. Elektromechanische reacties kunnen leiden tot spanningen op de interfaces van de elektroden en elektrolyten, wat weer kan leiden tot ongewenste nevenreacties die de algehele efficiëntie en levensduur van de batterij verminderen. Het begrijpen van deze interacties is cruciaal voor het ontwerpen van verbeterde materialen die bestand zijn tegen de belastingen die gepaard gaan met het herhaaldelijk opladen en ontladen.

Het is dus essentieel om niet alleen de macromechanische eigenschappen van de batterijmaterialen te begrijpen, maar ook de lokale veranderingen die plaatsvinden tijdens de gebruikscycli. Alleen door het combineren van verschillende karakteriseringstechnieken, zoals SPM-gebaseerde metingen, kunnen we een compleet beeld krijgen van de prestaties en de langetermijndegradatie van de batterijmaterialen, zowel op macroniveau als op nanoschaal.

Wat zijn de recente vooruitgangen in de atomprobe-tomografie en hun impact op batterijonderzoek?

Atomprobe-tomografie (APT) is een krachtige techniek die wordt gebruikt voor het verkrijgen van atomaire resolutie in 3D van materiaalstructuren, wat een diepgaand inzicht biedt in de chemische samenstelling en de lokale ordening op atomair niveau. Deze techniek heeft in de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgangen geboekt, vooral in de context van batterijen, en met name lithium-ionbatterijen, waarvoor het essentieel is om de fijne structuur van elektrodenmaterialen en het gedrag van ionen te begrijpen. De ontwikkelingen in APT hebben niet alleen de kwaliteit van de reconstructies verbeterd, maar ook de precisie van de analyse en de snelheid van gegevensverwerking. Dit stelt onderzoekers in staat om meer gedetailleerde en betrouwbare informatie te verkrijgen, wat belangrijk is voor de ontwikkeling van efficiëntere en duurzamere batterijtechnologieën.

Recent is er veel aandacht voor de verbetering van de specimenvoorbereiding voor atomprobe-tomografie, vooral voor nanomaterialen en nanodeeltjes, die cruciaal zijn voor de prestaties van lithium-ionbatterijen. Innovaties zoals gefocuste ionenbundelmilling (FIB) en in-situ site-specifieke monstervoorbereiding stellen wetenschappers in staat om nanodeeltjes met precisie te analyseren zonder de integriteit van het monster te schaden. Dit is van bijzonder belang voor de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen, waar het materiaalgedrag op nanoschaal invloed heeft op de algehele prestaties, levensduur en veiligheid van de batterij.

Daarnaast is er vooruitgang geboekt in de kalibratie van atomprobe-tomografie, waardoor de nauwkeurigheid van de chemische en structurele gegevens die uit de experimenten voortkomen, aanzienlijk is verbeterd. Deze verbeteringen zijn van cruciaal belang, omdat zelfs kleine onjuistheden in de gegevensinterpretatie kunnen leiden tot misleidende conclusies over de eigenschappen van de batterijmaterialen. Zo kunnen de complexere fasen in lithium-ionmaterialen zoals nikkel-cobaltnikkeloxide (NCM) beter worden geanalyseerd, wat helpt om de energieopslagcapaciteit van batterijen te verbeteren en de stabiliteit te vergroten.

Een andere belangrijke ontwikkeling betreft het gebruik van laser-geassisteerde atomprobe-tomografie, wat de snelheid van de analyse verbetert en tegelijkertijd de thermische effecten vermindert die de massanauwkeurigheid kunnen beïnvloeden. Dit is van bijzonder belang voor de analyse van materialen die gevoelig zijn voor temperatuurveranderingen, zoals oxiden in batterijen. Laser-pulsen kunnen de snelheid van het ionisatieproces verhogen, waardoor de monsters sneller geanalyseerd kunnen worden zonder verlies van resolutie.

Desondanks zijn er ook uitdagingen die gepaard gaan met het gebruik van atomprobe-tomografie in batterijonderzoek. De complexiteit van de monstervoorbereiding en de hoge eisen die aan de techniek worden gesteld om een betrouwbare 3D-analyse uit te voeren, betekenen dat APT niet altijd de meest toegankelijke technologie is voor alle laboratoria. De kosten van de apparatuur en de benodigde tijd voor monsteranalyse kunnen aanzienlijke barrières vormen voor de brede toepassing van deze techniek. Daarnaast kunnen er bias-effecten optreden bij het interpreteren van de gegevens, vooral bij het analyseren van amorfe of slecht gedefinieerde fasen in de elektrodematerialen, wat leidt tot mogelijke onnauwkeurigheden in de chemische analyse.

Tot slot moet men niet vergeten dat de toepassing van atomprobe-tomografie in batterijonderzoek nog steeds in een evolutiefase verkeert, waarbij veel van de technologieën en methoden zich blijven ontwikkelen. De voortdurende vooruitgangen op het gebied van monsterpreparatie, gegevensverwerking en analyse moeten niet alleen worden gevolgd, maar ook in de bredere context van batterijontwikkeling worden geplaatst. Het begrijpen van de complexiteit van atomaire interacties in batterijmaterialen kan de sleutel zijn tot het verbeteren van de prestaties van huidige batterijen en het ontwikkelen van nieuwe technologieën voor energieopslag.