De penetratiediepte van hXAS is drie ordes van grootte kleiner dan die van harde röntgenstralen. Dit verschil in penetratie heeft twee belangrijke gevolgen voor hXAS in vergelijking met sXAS. Ten eerste kan hXAS in de atmosfeer worden uitgevoerd, terwijl sXAS alleen in een ultrahoogvacuüm kan plaatsvinden. Dit maakt hXAS uitermate geschikt voor in situ/operando-experimenten, terwijl sXAS moeilijk uitvoerbaar is voor in situ-studies. In de afgelopen decennia heeft hXAS aanzienlijke vooruitgangen geboekt door vele baanbrekende studies in de ontwikkeling van in situ-cellen. Ten tweede kan hXAS in transmissiemodus worden uitgevoerd, waarmee monsters tot op tientallen micrometers doordrongen kunnen worden en bulkinformatie wordt verkregen. SxAS wordt daarentegen meestal in reflectiemodus uitgevoerd, met een penetratiediepte van ongeveer 100 nm in vaste stoffen, waardoor minder bulkinformatie wordt verkregen. De transmissiemodus van sXAS kan alleen worden bereikt met monsters die dunner zijn dan 100 nm, wat veel wordt gebruikt in de scanning transmissie röntgenmicroscopie (STXM).

Een ander belangrijk verschil tussen hXAS en sXAS ligt in het excitatieproces. hXAS bestrijkt de K-rand van 3d-overgangsmetalen (TMs), die de elektronische overgang van de 1s- naar de 4p-orbitalen weerspiegelt. sXAS is echter geschikt voor het meten van de L-rand van 3d TMs en de K-rand van lage Z-elementen zoals C, N, O en F, die respectievelijk overeenkomen met de overgang van de 2p- naar de 3d-orbitalen en de overgang van de 1s- naar de 2p-orbitalen. Hierdoor bestrijken hXAS en sXAS de meeste elementen die in gewone batterijmaterialen voorkomen, wat hun cruciale rol in batterijonderzoek benadrukt. Het verschil in excitatie kan verder worden verklaard door de resolutiecapaciteit van hXAS en sXAS. Voor de K-rand van 3d TMs bevat hXAS meestal XANES en EXAFS. De absorptiegrens in XANES kan worden gebruikt om de oxidatietoestand te bepalen. Echter, de randkenmerken overlappen vaak met andere verbrede schouderpieken die verband houden met de gedelokaliseerde 4p-toestanden, wat de analyse van de oxidatietoestand bemoeilijkt. Pre-edge kenmerken, die de dipoolverboden overgang van 1s naar 3d-orbitalen vertegenwoordigen, verschijnen vaak vanwege de hybride aard van 3d- en 4p-toestanden met verstoorde coördinatie. Daarom worden pre-edge kenmerken die de 3d-toestanden detecteren, vaker gebruikt om de coördinatiegeometrie te onderzoeken. Bovendien zijn de verbrede XANES-functies boven de rand en de EXAFS-functies gespecialiseerd in het verkennen van de lokale structuur. Samenvattend kan worden geconcludeerd dat de specialiteit van hXAS ligt in het onderzoeken van de lokale structuur, terwijl sXAS krachtiger is in het oplossen van elektronische structuren.

Aan de andere kant maakt de dipooltoegestane overgang van 2p naar 3d bij sXAS direct onderzoek van de gelokaliseerde 3d-onbezette toestanden nabij het Fermi-niveau mogelijk, wat zeer gevoelig is voor de oxidatietoestand, spinstatus en orbitaal splitsing en oriëntatie. De pre-edge kenmerken van de ligand K-rand kunnen de hybride toestand van de 2p-staten van de ligand en 3d-staten van TMs onthullen, waardoor de binding tussen TMs en liganden direct wordt onderzocht. Daarnaast is het moeilijk om zachte röntgen-EXAFS (sEXAFS) uit te voeren vanwege de beperkingen van monochromatoren. Daarom ligt de specialiteit van sXAS in het onderzoeken van de elektronische structuur.

Het derde grote verschil komt voort uit de vervalprocessen in hXAS en sXAS. Zoals eerder vermeld, zijn er twee soorten vervalmodi: het fluorescentieproces en het Auger-proces, die optreden na de resonante excitatie. In het harde röntgenbereik is de fluorescentie-opbrengst dominant, terwijl de elektronopbrengst de belangrijkste rol speelt in het zachte röntgenbereik. Daarom wordt hXAS voornamelijk uitgevoerd via transmissie- of fluorescentiemodi. Door de diepe penetratie biedt hXAS meestal bulkinformatie. Daarentegen kan sXAS worden uitgevoerd door de totale fluorescentie-opbrengst (TFY) en de totale elektronopbrengst (TEY) te verzamelen. TEY-modus heeft vaak veel sterkere signalen in vergelijking met de TFY-modus vanwege het dominante Auger-proces en de effectieve onderdrukking van achtergrondruis. De TFY-modus maakt het mogelijk om relatief bulkinformatie (~100 nm) te verkrijgen. In vergelijking hiermee is de TEY-modus gevoelig voor oppervlakinformatie (5-10 nm) vanwege de beperkte gemiddelde vrije pad van de geëxciteerde elektronen. De oppervlaksensitiviteit kan verder worden verbeterd door selectief geëxciteerde elektronen met een bepaalde kinetische energie te verzamelen, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van de gedeeltelijke elektronopbrengst (PEY)-modus en de Auger-elektronopbrengst (AEY)-modus.

Samenvattend biedt hXAS vooral informatie over de lokale structuur, terwijl sXAS zich meer richt op de elektronische structuur, met elke techniek die complementaire inzichten verschaft in de structuur van de TM-L gecoördineerde eenheden. De complementaire informatie kan verder worden bereikt door hard röntgen Raman-verstrooiing (hXRS), die gebaseerd is op het inelastische verstrooiingsproces. De lokale structuur van de ligand en onbezette toestanden in het bulkmateriaal kunnen worden onthuld door hXRS vanwege de mogelijkheid van sEXAFS voor lichte elementen en bulk-sXAS. Bovendien kunnen zachte röntgenemissiespectroscopie (sXES) en zachte röntgen Raman geïnduceerde röntgenspectroscopie (sRIXS) informatie bieden die verband houdt met de bezette toestanden nabij het Fermi-niveau, wat helpt bij het verkrijgen van een volledige beschrijving van de elektronische structuur in combinatie met sXAS voor het onderzoeken van het redoxmechanisme. Analoga aan XAS kunnen XES en RIXS ook worden uitgevoerd met harde röntgenstralen, die informatie bieden over gebonden bezette toestanden, wat buiten het bestek van dit hoofdstuk valt.

Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van Li-ion batterijen en hun invloed op batterijprestaties?

Li-ion batterijen (LIB's) zijn de spil in de moderne energieopslagtechnologie, van draagbare elektronica tot elektrische voertuigen. De prestaties van deze batterijen worden sterk bepaald door hun chemische samenstelling en de fysische eigenschappen van de gebruikte materialen. De anodes en kathodes, evenals de elektrolyten, spelen een cruciale rol in de algehele effectiviteit van de batterij, wat op zijn beurt invloed heeft op factoren zoals energiedichtheid, levensduur en veiligheid.

Het begrijpen van de interactie tussen lithiumionen en de elektrode-materialen is essentieel voor het optimaliseren van de batterijprestaties. De elektrochemische reacties die plaatsvinden in de anode en de kathode tijdens het opladen en ontladen zijn fundamenteel voor de energieopslagcapaciteit. Bij lithium-ion batterijen wordt lithium in de anode (meestal grafiet) geïntercaleerd en de-intercalated tijdens de laad- en ontlaadcycli, terwijl de kathode meestal bestaat uit materialen zoals lithium kobalt oxide (LiCoO2) of lithium ijzer fosfaat (LiFePO4), die verantwoordelijk zijn voor het leveren van de benodigde ionen en elektronen.

In operando studies, die experimenten in real-time mogelijk maken, wordt de dynamiek van deze interacties onder werkelijke gebruikscondities bestudeerd. Het gebruik van technieken zoals in-situ synchrotron X-ray diffractie (XRD) biedt waardevolle inzichten in de kristalstructuren van de materialen, de ionverspreiding en de spanningen die zich ontwikkelen tijdens het laden en ontladen. Deze studies onthullen belangrijke informatie over de veroudering van de materialen, zoals de degradatie van de kristalstructuur en het verlies van lithiumionen, wat uiteindelijk de capaciteit van de batterij beïnvloedt.

De ontwikkeling van nieuwe elektrodenmaterialen en elektrolyten is gericht op het verbeteren van de prestaties van lithium-ion batterijen. Materialen zoals Li10GeP2S10 (LGPS), die worden gebruikt als elektrolyten in lithium-ion en lithium-sulfur batterijen, bieden veelbelovende vooruitzichten. Deze verbindingen bieden hogere iongeleiding en stabiliteit, wat essentieel is voor het verbeteren van de veiligheid en levensduur van batterijen. Naast de elektrolyten is er ook veel aandacht voor het ontwerp van de anodes, waarbij materialen zoals silicium en tin (Sn) steeds vaker worden onderzocht vanwege hun hogere theoretische capaciteit in vergelijking met grafiet.

Bij het ontwerpen van batterijcellen is thermisch beheer van groot belang. Tijdens het opladen en ontladen genereren de batterijen warmte, die zorgvuldig moet worden afgevoerd om schade aan de interne structuur van de batterij te voorkomen. Het ontwikkelen van effectieve warmtebeheerstrategieën is essentieel voor het verhogen van de veiligheid en het verbeteren van de prestaties van de batterij. Het gebruik van vloeibare koelsystemen of het ontwerpen van materialen met lage thermische geleidbaarheid kan helpen bij het beheersen van de temperatuur in de batterij, wat cruciaal is voor het voorkomen van oververhitting of thermische instabiliteit.

De toekomst van lithium-ion batterijen ligt in de voortdurende verbetering van hun energie-efficiëntie en de zoektocht naar materialen die hogere energiedichtheden en langere levensduur bieden. Dit omvat het onderzoeken van nieuwe materialen voor zowel de anode als de kathode, evenals het ontwikkelen van verbeterde elektrolyten die de prestaties verbeteren. De integratie van nieuwe technologieën, zoals nanomaterialen en geavanceerde karakterisatietechnieken zoals massaspectrometrie en time-of-flight (ToF) SIMS, biedt onderzoekers waardevolle inzichten in de structuur en het gedrag van batterijen op nanoschaal.

Bij de evaluatie van batterijen is het niet voldoende om alleen de elektrochemische prestaties te beschouwen. Er moet ook aandacht worden besteed aan de mechanische eigenschappen van de batterijmaterialen, zoals de elasticiteit en sterkte, die invloed hebben op de algehele stabiliteit van de batterij tijdens langdurig gebruik. Bovendien moeten de milieueffecten van de productie en het recyclen van deze batterijen in overweging worden genomen, aangezien de winning van lithium en andere zeldzame aardmetalen zowel ecologische als ethische uitdagingen met zich meebrengt.

Een belangrijk aspect dat verder onderzocht moet worden, is de invloed van temperatuur en andere omgevingsfactoren op de levensduur van batterijen. Hoe batterijen zich gedragen onder extreme omstandigheden, zoals hoge temperaturen of langdurige opslag in deels geladen toestand, is van belang voor hun praktische toepassingen. Het integreren van robuuste modellering en simulaties kan helpen om voorspellingen te doen over de levensduur van batterijen en de prestaties onder verschillende gebruiksomstandigheden.

Hoe SEM en In-Situ Microscopie bij Batterijonderzoeken Helpen de Structuur van Batterijmaterialen te Begrijpen

Scanning Electron Microscopy (SEM) speelt een cruciale rol in de studie van batterijmaterialen en hun interfaces. Het gebruik van een gefocuste elektronenbundel stelt onderzoekers in staat om het oppervlak van monsters punt voor punt te scannen en gedetailleerde beelden te verkrijgen. Dit proces maakt het mogelijk om morfologische details, zoals de ruwheid en tomografie van het oppervlak, te analyseren. Het signaal kan afkomstig zijn van secundaire elektronen, teruggestrooide elektronen of absorptie-elektronen, afhankelijk van de gebruikte techniek. Dit maakt het mogelijk om fijnstructuurinformatie te verkrijgen, wat van groot belang is voor het begrijpen van de interacties op lokaal niveau binnen batterijmaterialen.

Een belangrijke uitbreiding van SEM is het gebruik van Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), waarmee de elementaire samenstelling van materialen kan worden geanalyseerd. Dit maakt SEM geschikt voor het bestuderen van de morfologie, porositeit en de tortuosity van elektroden, separators en elektrolytmaterialen van batterijen. Door het combineren van SEM met EDS kunnen onderzoekers gedetailleerde kaarten van de elementaire samenstelling maken, wat van essentieel belang is voor het begrijpen van de prestaties van batterijen.

In verschillende studies is SEM gebruikt om de ontwikkeling van batterijmaterialen en hun interfaces te analyseren. Zo ontdekten Xu et al. bijvoorbeeld dat de gesynthetiseerde ZnS-nanomaterialen een bolvormige morfologie vertonen en bedekt zijn met een isolerende Li2S/Li2S2-laag, wat de cyclische omkeerbaarheid van een Li-S-batterij aanzienlijk verbetert. Evenzo observeerden Chen et al. dat de deeltjesgrootte van LiNi0.8Co0.15Al0.05O2-cathodemateriaal toeneemt bij doping met boorzuur, terwijl het gebruik van een boron-dopant helpt om de vorm van de deeltjes te behouden na langdurige cycli bij hoge temperaturen.

Daarnaast is SEM essentieel voor het bestuderen van de interfasen die ontstaan tussen elektroden en elektrolyt, zoals blijkt uit het werk van Gao et al., die een beschermende interfase ontwikkelden voor Li10GeP2S12, een vast elektrolyt, om de reactie met de Li-metaal anode te voorkomen. Cross-sectie beelden van SEM tonen aan dat deze interfase helpt om scheuren in het vaste elektrolyt te elimineren, wat een belangrijke stap is in het verbeteren van de levensduur en prestaties van solid-state batterijen.

Voor meer betrouwbare en realistische data worden in-situ en operando SEM-technieken steeds belangrijker. In tegenstelling tot ex-situ experimenten, waarbij monsters na de cycli uit de batterijen worden verwijderd, maakt in-situ SEM het mogelijk om de veranderingen in de morfologie van elektroden in real-time te volgen tijdens de werking van de batterij. Dit biedt diepere inzichten in de dynamica van batterijprocessen zonder dat de monsters worden aangetast door externe factoren zoals contaminatie of schade tijdens de voorbereidende stappen. Zo hebben onderzoekers in in-situ experimenten het volume-expansie-effect van SnO2-deeltjes tijdens lithiatiering waargenomen en de mechanische scheuren bestudeerd die optreden tijdens de herhaaldelijke lithiatiering en delithiatiering.

De techniek heeft ook toepassingen in solid-state batterijen. In een voorbeeld van Nagao et al. werd in-situ SEM gebruikt om het lithiumafzettings- en stripproces te visualiseren in een sulfide vast elektrolyt. Ze konden variaties in de morfologie van Li-afzettingen waarnemen, afhankelijk van de stroomdichtheden, en ontdekten dat bij lage stroomdichtheden het proces grotendeels omkeerbaar is, terwijl hogere dichtheden leiden tot de vorming van dendrieten die de prestaties van de batterij kunnen schaden.

Wat belangrijk is voor de lezer om te begrijpen, is dat hoewel SEM een krachtige techniek is, het niet zonder beperkingen is. De resolutie en de diepte van het beeld kunnen afhankelijk zijn van de configuratie van de microscoop en de specifieke monsters die worden onderzocht. De resultaten van SEM moeten altijd in de context van de experimenten worden geïnterpreteerd, vooral wanneer er complexe interacties plaatsvinden op het niveau van individuele deeltjes of interfaces binnen de batterij. Het begrijpen van de methoden voor in-situ waarneming kan verder bijdragen aan het ontwerp van batterijmaterialen die beter bestand zijn tegen de mechanische en chemische spanningen die zich voordoen tijdens het opladen en ontladen van batterijen.

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen in de elektrochemische prestaties van Sn-gebaseerde materialen voor lithium-ion batterijen?

De elektrochemische prestaties van Sn-gebaseerde verbindingen en de structurele veranderingen die optreden tijdens de reactie van Li met verschillende tinoxide-glazen, vertonen een aanzienlijke onomkeerbare capaciteitverlies (200-700 mAh/g) tijdens de eerste cyclus. In plaats van Sn-oxide te gebruiken als een inactieve dispersie, is een alternatieve benadering om te beginnen met Sn-gebaseerde legeringen. In 2005 bracht Sony hun Nexelion 14430-batterij uit, met een nanogestructureerde Sn-Co-C anode. Sony beweerde dat de volumetrische capaciteit met meer dan 30% kon worden verhoogd in vergelijking met conventionele LIB's. In 2011 kondigde Sony een andere versie van de Nexelion-cel aan (18650-batterij) met een capaciteit van 3,5 Ah en een volumetrische energiedichtheid van 723 Wh/L in het spanningsbereik van 2,0V–4,3V. De succesvolle ontwikkeling van de Sn-Co-C anode leidde tot verdere focus op Sn-overgangsmetaallegeringen, zoals Sn-Cu, Sn-Ni, Sn-Fe en Sn-Co. Deze legeringen worden gekarakteriseerd door hun lithiatie-dichtheid, gravimetrische en volumetrische capaciteiten, waarbij Sn-gebaseerde legeringen over het algemeen hogere volumetrische capaciteiten vertonen in vergelijking met Li-metaal en grafiet.

Sn-gebaseerde legeringen hebben echter hun eigen set van uitdagingen. Zoals blijkt uit Tabel 1.1, vertonen deze materialen aanzienlijke volumeveranderingen tijdens het ontladen en opladen, wat kan leiden tot materiaalafbrokkeling op de deeltjesniveaus en instabiliteit van de SEI-laag. De SEI (Solid Electrolyte Interphase) speelt een cruciale rol in het functioneren van de anode, omdat het zorgt voor de bescherming van het actieve materiaal en de efficiënte opname van Li-ions tijdens de lithiatiefase. Bij legeringen op basis van overgangsmetaaloxiden, zoals Fe2O3, Co3O4, MnO, CuO en NiO, komt het conversiereactie-mechanisme tot stand. Dit mechanisme betreft de reductie van het overgangsmetaal samen met de samenstelling van Li-verbindingen. Dergelijke anodes vertonen vaak een veel hogere capaciteit dan traditionele materialen (zoals grafiet) en kunnen capaciteiten tot wel 1000 mAh/g bereiken voor Fe2O3.

De belangrijkste uitdaging bij het gebruik van conversie-anodes op basis van overgangsmetaaloxiden (TMO) is de slechte elektrische geleiding en de beperkte cyclische prestaties. Dit komt voort uit het gebrek aan stabiliteit van de SEI-laag en de structurele veranderingen die optreden bij de reactie tussen het overgangsmetaal en de lithium-ionen. Om deze problemen aan te pakken, is een nanostructureringstrategie nodig om de interconversie van meerdere vaste fasen mogelijk te maken.

Een ander belangrijk anode materiaal dat aandacht krijgt, is het metallic Li. Hoewel Li-metaal in het begin van de Li-batterijontwikkeling werd gebruikt, heeft het vanwege de neiging om dendrieten te vormen ernstige veiligheidsproblemen en beperkingen in levensduur. Li-metaal biedt echter de hoogste theoretische capaciteit (3860 mAh/g) en de laagste elektrochemische potentiaal (-3,04V versus de standaard waterstofelektrode), wat het een ideale keuze maakt voor lithium-sulfur (Li-S) en lithium-lucht (Li-air) batterijsystemen. Deze batterijen hebben de potentie om de energiecapaciteit aanzienlijk te verhogen, tot wel 650 Wh/kg voor Li-S en 950 Wh/kg voor Li-air.

De uitdaging met Li-metaal ligt in het ongecontroleerde dendrietgroei, wat leidt tot kortsluiting en veiligheidsrisico's. Er zijn verschillende strategieën ontwikkeld om dit probleem aan te pakken, zoals het gebruik van beschermende lagen, nanostructuren voor de anode en modificatie van de elektrolyt. Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, is er nog veel werk nodig om Li-metaal commercieel haalbaar te maken voor gebruik in lithium-ion batterijen.

Naast de keuze van het anodemateriaal speelt de elektrolyt een cruciale rol in de prestaties van lithium-ion batterijen. Het elektrolyt fungeert als medium voor de ladingsoverdracht tussen de kathode en anode. De stabiliteit van de elektrolyt en de interfaces tussen elektrolyt en elektroden bepalen de prestaties van de batterij. De elektrolyt moet voldoen aan strenge eisen, zoals een hoge iongeleiding, chemische en thermische stabiliteit, lage toxiciteit en een kosteneffectieve productie.

Het begrijpen van de elektrolyt-anodeinterface is van groot belang. De solid-electrolyte interphase (SEI) vormt zich tijdens het opladen van de batterij, wat essentieel is voor de stabiliteit en prestaties van de anode. Deze SEI moet de elektroden beschermen, maar tegelijkertijd de overdracht van Li-ionen mogelijk maken zonder de elektrongeleiding te blokkeren. Het is de stabiliteit en de evolutie van deze SEI-laag die invloed heeft op de levensduur van de batterij en het rendement van de cycli.

In de praktijk wordt er veel onderzoek gedaan naar de verbetering van de SEI-stabiliteit, met de nadruk op materialen die de vorming van dendrieten kunnen verminderen en de interface tussen de elektrolyt en de anode kunnen optimaliseren.

De ontwikkelingen in het gebied van Sn-gebaseerde anodes en de verbetering van de elektrolytinterface zijn essentieel voor de vooruitgang van lithium-ion technologieën. Het gebruik van nanotechnologie, innovatieve elektrolyten en hybride materialen biedt veelbelovende vooruitzichten voor de toekomst van energieopslag en batterijtechnologieën.

Hoe gasontwikkeling de prestaties en veiligheid van Li-ion batterijen beïnvloedt: Een analyse van de DEMS-techniek

De evolutie van gas in lithium-ion batterijen (LIBs) is een complex proces dat sterk van invloed is op de prestaties en de veiligheid van de batterij. Dit gas kan migreren van de ene elektrode naar de andere, waar het kan worden geadsorbeerd en zelfs deelnemen aan interfaciale reacties. Een bekend voorbeeld van dit proces is de CO2-consumptie, die vaak optreedt door elektrolytoxidatie, vooral bij gebruik van kathodes die werken op hoge spanning. Deze CO2 kan vervolgens worden gereduceerd op de anode, wat leidt tot de vorming van een SEI (Solid Electrolyte Interphase) die Li2CO3 of Li2C2O4 bevat, wat op zijn beurt de eigenschappen van het anode-elektrolyt interface kan verbeteren.

Experimenten uitgevoerd door Ellis et al. tonen aan dat de CO2-gas die in een pouch-batterij werd geïnjecteerd, na 100 uur opslag vrijwel volledig werd verbruikt. Dit wijst op de actieve deelname van de elektrolyten in het gasontwikkelingsproces, waarbij de gasproductie direct gekoppeld is aan de elektrochemische processen die plaatsvinden tijdens de laad- en ontlaadcycli van de batterij.

Een ander belangrijk aspect van gasontwikkeling in LIBs betreft het effect van de interactie tussen de anode en kathode. Michalak en zijn collega’s gebruikten Differential Electrochemical Mass Spectrometry (DEMS) om het gasgedrag bij verschillende celconfiguraties te onderzoeken. In hun experimenten met een LNMO/graphiet-cel observeerden ze twee plateau’s in het spanningsprofiel, die corresponderen met de redoxparen Ni2+/Ni3+ en Ni3+/Ni4+. Gedurende het laadproces was er een piek in CO2-evolutie, gevolgd door een afname en vervolgens een hernieuwde toename van CO2-productie. Het gas H2 vertoonde een soortgelijk patroon, maar C2H4 werd alleen waargenomen bij de eerste laadcyclus. Dit suggereert dat de gasontwikkeling niet alleen afhangt van de elektrolyt en het gebruikte materiaal, maar ook van de specifieke elektrochemische reactie die op dat moment plaatsvindt.

Bij vervanging van de grafietanode door een gede-lithiated LFP (LiFePO4) werden andere resultaten waargenomen. In dit geval was er vrijwel geen CO2-ontwikkeling aan de anode, wat suggereert dat LFP minder gevoelig is voor gasvorming in vergelijking met grafiet. CO2-evolutie werd echter nog steeds waargenomen bij de kathode, waarschijnlijk als gevolg van de oxidatieve decompositie van de elektrolyt, die werd gekatalyseerd door het Ni3+/Ni4+ redoxkoppel. Dit illustreert hoe de keuze van materialen voor zowel anode als kathode een aanzienlijke invloed heeft op de gasontwikkeling en uiteindelijk de prestaties van de batterij.

Het gebruik van DEMS in combinatie met LFP-elektrodes biedt dus waardevolle inzichten in de oorsprong van gasproductie en de interacties tussen anode en kathode. De techniek kan bijdragen aan een beter begrip van de mechanismen die leiden tot ongewenste gasontwikkeling in LIBs, en daarmee de veiligheid en efficiëntie van de batterijen verbeteren.

Met de toegenomen vraag naar draagbare elektronische apparaten, elektrische voertuigen en grootschalige energieopslagsystemen, is het essentieel om LIBs verder te verbeteren op het gebied van energiecapaciteit, levensduur en veiligheid. Ongecontroleerde gasontwikkeling als gevolg van parasitaire reacties heeft echter een aanzienlijke invloed op de prestaties en veiligheid van de cellen. Daarom is een diepgaand begrip van het gasgedrag tijdens de werking van de batterij van cruciaal belang.

DEMS is een onmiskenbare techniek geworden voor het verstrekken van zowel kwalitatieve als kwantitatieve informatie over gasontwikkeling in LIBs. In de afgelopen decennia heeft DEMS zich snel ontwikkeld, maar de techniek bevindt zich nog steeds in een vroeg stadium. Er is veel ruimte voor verbetering, met name in het gebruik van de membraan-inlaatmethode, die baat zou hebben bij een geavanceerder semipermeabel membraan en een goed ontworpen cel om de efficiëntie van de gasverzameling te verbeteren. Daarnaast zou de carrier-gas inlaatmethode kunnen profiteren van een kleinere dode volume om de temporele resolutie te verhogen.

In de toekomst zal het noodzakelijk zijn om in situ/operando gasontwikkeling te monitoren in commerciële batterijen (zoals pouch-cellen of stalen behuizingen). Dit zou kunnen bijdragen aan industriële productie, veiligheidsmonitoring en falenanalyse. Het verkrijgen van multidimensionale elektrochemische informatie, waaronder gas-, vloeistof- en vaste tussenvormen en producten, structurele en morfologische evoluties en faseovergangen, blijft een uitdaging. De combinatie van verschillende in situ karakterisatietechnieken, zoals scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy en DEMS, biedt veel potentieel om mechanistische inzichten tijdens de werking van de batterij te verkrijgen.

Hoewel er nog maar weinig onderzoek is naar de integratie van deze technieken, is het duidelijk dat de toekomst van DEMS in combinatie met andere in situ karakterisatietechnieken van cruciaal belang zal zijn voor het verbeteren van de prestaties en veiligheid van LIBs.

Hoe behoud je menselijkheid wanneer macht en slavernij alles dreigen te ontwrichten?
Hoe De Pers de Idealen van Verlichting Vormde en Wat het Vooruitzicht van Kritisch Denken Is
Wat is de rol van het darmmicrobioom bij het verouderingsproces?
Wat is het belang van acute normovolemische hemodilutie in de postoperatieve zorg bij complexe hartchirurgie?
Hoe gebruik je opengewerkte steken en geavanceerde haaktechnieken voor het maken van gehaakte lappen en accessoires?