Hoe kunnen elektrochemische strain-microscopietechnieken de prestaties van lithium-ionbatterijen verbeteren?

De werking van een batterij wordt sterk beïnvloed door de vervorming van de batterijmaterialen die ontstaat door veranderingen in het molaire volume tijdens het opladen en ontladen. Deze vervorming kan worden gemeten met elektrochemische strain-microscopie (ESM). ESM biedt een unieke mogelijkheid om de elektrochemische fenomenen op nanoschaal in kaart te brengen door het directe koppelen van ionenbewegingen aan oppervlaktevervorming, die als strain wordt gedefinieerd.

De eerste toepassing van ESM werd uitgevoerd op de dunne film van LiCoO2 als kathode, zoals gerapporteerd door Balke et al. in 2010. In deze studie werden de volumeveranderingen die gepaard gaan met de diffusie van lithiumionen gemeten, en de lithiumiondiffusiviteit in enkele korrels en langs vastgestelde korrelgrenzen werd ruimtelijk gevisualiseerd. Deze studie toonde aan dat de diffusiviteit van lithiumionen hoger was voor bepaalde korrels en geselecteerde korrelgrenzen. Verdere studies op de LiCoO2-kathode gaven aan dat ESM een veelbelovende techniek is voor het onderzoeken van ionentransportfenomenen in batterijmaterialen.

Bij het onderzoeken van de amorfe Si-anode in een all-solid-state dunne film Li-ionbatterij, waarin LiCoO2 als kathode en stikstof-geëxtraheerd lithiumfosfaat als elektrolyt werd gebruikt, werd duidelijk aangetoond dat meer lithiumionen zich ophoopten aan scherpe korrelgrenzen. Het ESM-signaal kan direct worden gekoppeld aan de lithiumionstroom, waardoor het mogelijk is om de microstructuurveranderingen te correlateren en de gebieden met hoge diffusie te identificeren.

Een andere belangrijke ontdekking werd gedaan door Chen et al., die grote verschillen in de ESM-reactie tussen micro- en nanokristallijn LiFePO4 aantoonde door DART-ESM te gebruiken. Het nanokristallijne gebied vertoonde een veel hogere ESM-reactie. Deze correlatie tussen ESM-reactie en kristallijne morfologieën verklaarde het superieure vermogen van LIB's met een nanokristallijn LiFePO4-elektrode. Deze studie liet zien dat ESM goed correleerde met de macroniveau batterijprestaties, waardoor inzicht werd verkregen in de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor prestatieverbetering.

Verder werd de lokale variatie van de diffusie van lithiumionen en de elektrochemische activiteit in de LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 dunne film kathode op verschillende cycli-stadia onderzocht door BE-ESM. De gemiddelde ESM-reactie nam aanzienlijk af na 100 cycli, wat overeenkwam met de afname van de elektrochemische activiteit na het cycleren van de dunne film kathode. Dit bewees de mogelijkheid van ESM om verdere inzichten te bieden in de oorzaken van batterijfalen op nanoschaal.

De ESM-amplitude kan in gevallen waarin de lithiumiontransportprocessen diffusiemotorisch zijn, worden gerelateerd aan de diffusiecoëfficiënt van lithiumionen. Door deze relatie is het mogelijk om diffusiekaarten te verkrijgen, die de diffusiecoëfficiënten van de lokale gebieden zoals korrels en korrelgrenzen in kaart brengen. ESM heeft aangetoond dat het mogelijk is om het effect van opladen en ontladen simulaties vast te leggen door het verkrijgen van diffusiekaarten tijdens de cycles. Deze kaarten kunnen gebruikt worden om inzicht te krijgen in het effect van topografische veranderingen en de daaruit voortvloeiende diffusie verliezen op nanoschaal.

ESM wordt dus niet alleen toegepast in onderzoek naar batterijen, maar ook in andere materialen die lithiumiongeleiding vertonen, zoals LiMn2O4-kathodes in commerciële batterijen en lithium-iongeleidend glaskeramiek (LICGC). In dit onderzoek werd het ESM-signaal geanalyseerd en werd ontdekt dat de ESM-reactie op de actieve deeltjes in LiMn2O4 duidelijk zichtbaar was, terwijl er een ruissignaal werd geregistreerd op het epoxyhars en de Al-stroomcollector.

Samenvattend heeft ESM bewezen een krachtige techniek te zijn voor het in kaart brengen van de ionenstroom en de elektrochemische activiteit in batterijmaterialen op nanometer schaal. Dit biedt onderzoekers een gedetailleerd inzicht in de diffusieprocessen van lithiumionen en de mechanismen die bijdragen aan de degradatie van batterijen. In de toekomst zal het verder verfijnen van ESM-technieken en het combineren van verschillende ESM-methoden zoals DART-ESM en BE-ESM de mogelijkheid bieden om de prestaties van lithium-ionbatterijen verder te optimaliseren. Het vervolg van dit onderzoek zal bepalend zijn voor het verbeteren van batterijtechnologieën en het bevorderen van duurzame energieopslag.

Wat zijn de nieuwste technieken voor het analyseren van lithium-ion batterijen?

Lithium-ion batterijen (LIB’s) spelen een cruciale rol in de moderne technologie, van mobiele apparaten tot elektrische voertuigen, en zijn daarom een onderwerp van intensief onderzoek. De noodzaak om de prestaties van deze batterijen te begrijpen, hun levensduur te verlengen en de mechanische en chemische processen die zich binnenin afspelen te monitoren, heeft geleid tot de ontwikkeling van geavanceerde analysemethoden. Onderzoekers hebben verschillende technieken ontwikkeld om de interne werking van de batterij en de degradatieprocessen van de elektroden nauwkeurig te bestuderen. Een van de veelbelovende methoden is de toepassing van ICP-gebaseerde technieken, zoals ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy) en ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), die het mogelijk maken om met hoge precisie elementen in de batterijmaterialen te kwantificeren en hun verdeling te visualiseren.

De techniek van laserablatie gekoppeld aan ICP-MS (LA-ICP-MS) heeft in dit verband aanzienlijke vooruitgangen geboekt. Dit biedt de mogelijkheid om de chemische samenstelling van batterijelectroden in detail te onderzoeken zonder dat de batterij volledig gedemonteerd hoeft te worden. Studies zoals die van Takahara et al. (2013) en Ghanbari et al. (2016) hebben aangetoond dat deze technologie niet alleen de homogene of inhomogene degradatie van de anode kan detecteren, maar ook de concentratie van lithium in elektroden met een hoge ruimtelijke resolutie kan meten.

Het is essentieel om te begrijpen hoe verschillende componenten van de batterij, zoals de anode (vaak gemaakt van grafiet) en de kathode (die materialen zoals NCM of LiMn2O4 kan bevatten), bijdragen aan de algehele prestaties en degradatie van de batterij. Het gebruik van technieken zoals GD-OES (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy) heeft aangetoond dat de anode aanzienlijk kan degraderen door de ophoping van lithium, wat invloed heeft op de capaciteit van de batterij en de algemene levensduur. De verdeling van lithium en andere metalen, zoals nikkel, mangaan en kobalt, op de elektrodeoppervlakken kan in detail worden geanalyseerd, wat cruciaal is voor het begrijpen van de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de capaciteitsvermindering van de batterij.

Bovendien worden met behulp van recente ontwikkelingen in analitische technieken nieuwe inzichten verkregen in de rol van de elektrolyt. In sommige gevallen kan de elektrolyt zelf ook verouderen door thermische en hydrolytische reacties, wat kan leiden tot de afbraak van de elektrolytsamenstelling. Door de toepassing van ionchromatografie en andere geavanceerde chromatografische technieken kunnen onderzoekers precies bepalen welke ionen zich in de elektrolyt hebben opgehoopt en in hoeverre dit de prestaties van de batterij beïnvloedt. Deze analyses zijn belangrijk voor het ontwikkelen van betere elektrolyten die bestand zijn tegen de slijtage die optreedt tijdens het opladen en ontladen van de batterij.

Verder is het inzicht in de thermische veroudering van lithium-ion batterijen van groot belang. Het gebruik van technieken die de veranderingen in de elektrolyt kunnen volgen, bijvoorbeeld via spectroscopische analyses, biedt waardevolle informatie over de reactie van de batterij op temperatuurwisselingen. Dit is van essentieel belang voor de ontwikkeling van batterijen die bestand zijn tegen verschillende omgevingsomstandigheden, zoals in elektrische voertuigen of andere toepassingen die onder extreme temperaturen werken.

Het belang van de ‘solid electrolyte interphase’ (SEI) mag niet worden onderschat. De SEI speelt een sleutelrol in de stabiliteit van de batterij, vooral wat betreft de bescherming van de anode tegen ongewenste reacties met de elektrolyt. Het verlies van lithium in de SEI is een van de belangrijkste factoren die bijdragen aan de afname van de capaciteit van lithium-ion batterijen. Methoden zoals LA-ICP-MS worden steeds vaker gebruikt om de veranderingen in de SEI na herhaaldelijk opladen en ontladen van de batterij te bestuderen.

Ten slotte, de impact van de gebruikte materialen in de batterij, zoals de actieve cathodematerialen, kan niet worden genegeerd. De materialen die in de kathode worden gebruikt, zoals lithium-kobaltoxide of lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide, vertonen verschillende reacties tijdens de lading- en ontlaadcycli. De verdeling en chemische binding van lithium in de actieve materialen kunnen de prestaties van de batterij sterk beïnvloeden. Recente studies tonen aan dat de toepassing van technieken als LA-ICP-OES in combinatie met chemometrie een gedetailleerde kaarten van de elementenverdeling binnen de kathode mogelijk maakt, wat leidt tot beter begrip van de batterijdegradatie.

Er moet echter rekening mee worden gehouden dat de werking en veroudering van lithium-ion batterijen afhankelijk zijn van meerdere factoren, zoals de laadcycli, temperatuur, elektrolytsamenstelling en de gebruikte materialen. Alle bovenstaande analysemethoden bieden waardevolle informatie, maar geen enkele techniek biedt een volledig beeld van alle processen die zich in de batterij voordoen. De technologische vooruitgang op het gebied van batterijanalyse is een doorlopend proces waarbij elk nieuw onderzoek bijdraagt aan het verfijnen van de kennis over hoe de prestaties van lithium-ion batterijen verbeterd kunnen worden.