Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

Lithium-Ionen-Batterien für Verbraucherelektronik derzeit Befehl ein $ 11000000000 Markt weltweit ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) und sind die erste Wahl für neue Fahrzeuganwendungen wie Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) und Elektrofahrzeuge (EVs). Analoga zu diesen Geräten Verwendung Natriumionen statt Lithium sind in früheren Stadien der Entwicklung, sind aber als attraktiv für große Energiespeicher (dh Grid-Anwendungen) auf Basis von Kosten-und Versorgungssicherheit Argumente ^{1, 2.} Beide Dual-Einlagerungssysteme arbeiten nach dem gleichen Prinzip, Alkalimetallionen pendeln zwischen zwei als Wirtsstrukturen, die Einführungsprozesse auf unterschiedlichen Potentialen unterzogen wirkenden Elektroden. Die elektrochemischen Zellen selbst relverhältnismäßig einfach, die aus zusammengesetzten positiven und negativen Elektroden, die auf Stromkollektoren, die durch eine poröse Membran mit einer Elektrolytlösung, in der Regel bestehend aus einem Salz in einer Mischung von organischen Lösungsmitteln (Fig. 1) gelöst gesättigt getrennt. Graphit und LiCoO ₂ sind die am häufigsten verwendeten negativen und positiven Elektroden, jeweils für Lithiumionenbatterien. Mehrere alternative Elektrodenmaterialien sind auch für spezielle Anwendungen entwickelt, einschließlich Varianten von LiMn ₂ O _4-Spinell, LiFePO ₄ mit der Olivin-Struktur und DMR (LiNi _x Mn _x Co _1-2x O _{2-Verbindungen)} für positive und harte Kohlenstoffatomen, Li ₄ Ti ₅ O _12, und Legierungen von Lithium und Zinn für Negative ^3. Hochspannungs Materialien wie LiNi _0,5 Mn _1,5 O _4, neue Hochleistungsmaterialien wie geschichteten Schichtverbunden (zB ₂ x Li MnO <sub> 3 · (1-x) LiMn _0,5 Ni _0,5 O _2), Verbindungen mit Übergangsmetallen, die mehrere Änderungen in Redox-Zustände durchlaufen können, und Li-Si-Legierungsanoden sind derzeit Gegenstand intensiver Forschung, und, falls erfolgreich eingesetzt, sollte praktische Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen zu erhöhen weiter. Eine weitere Klasse von Materialien, wie Umwandlungselektroden bekannt, bei denen Übergangsmetalloxide, Sulfide oder Fluoride sind reversibel an dem metallischen Element und einem Lithiumsalz reduziert wird, auch unter Berücksichtigung für die Verwendung als Batterieelektroden (in erster Linie als Ersatz für Anoden) ^4. Für Geräte, die auf Natrium, hart Kohlenstoffen, Legierungen, NASICON Strukturen und Titanate, die für die Verwendung als Anoden und verschiedene Übergangsmetalloxide und polyanionische Verbindungen als Kathoden sucht.

Da Lithium-Ionen-und Natrium-Ionen-Batterien sind nicht auf fest Chemie basiert, variieren ihre Leistungsmerkmale stark in Abhängigkeit von ter, dass die Elektroden eingesetzt werden. Das Redox-Verhalten der Elektroden bestimmt die Potentialprofile, Ratenfähigkeiten und Zykluszeiten der Geräte. Konventionelle Pulver-Röntgenbeugung (XRD)-Techniken können für die anfängliche strukturelle Charakterisierung von unberührten Materialien und Ex-situ-Messungen zyklisch Elektroden verwendet werden, aber praktische Überlegungen wie niedrige Signalstärke und die relativ lange Zeiten erforderlich, um Daten zu sammeln begrenzen die Menge von Informationen das kann auf die Entlade-und Lade Verfahren erhalten werden. Im Gegensatz dazu ist die hohe Brillanz und kurzen Wellenlängen der Synchrotron-Strahlung (zB λ = 0,97 Å an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource-Strahllinie 11-3), kombiniert mit dem Einsatz von Hochdurchsatz-Bilddetektoren, Erlaubnis Erwerb von hochauflösenden Daten an Proben in nur 10 Sekunden. In-situ-Arbeit wird in Übertragungsmodus auf Zellkomponenten unterzogen Ladung durchgeführt und Entladung in luftdicht verschlossenenBeutel für Röntgenstrahlen, ohne den Betrieb zu stoppen, um Daten zu erwerben. Als Folge kann die Elektrode strukturelle Veränderungen als "Momentaufnahmen", wie die Zellzyklen beobachtet werden, und noch viel mehr Informationen als mit herkömmlichen Techniken erhalten werden.

Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), manchmal auch als Röntgenabsorptionsfeinstruktur (XAFS) gibt Auskunft über die lokalen elektronischen und geometrischen Struktur von Materialien. In XAS Experimenten wird die Photonenenergie an die charakteristische Absorptionskanten der spezifischen Elemente in Untersuchung abgestimmt. Am häufigsten für Batteriematerialien, diese Energien entsprechen den K-Kanten (1s-Orbitale) der Übergangsmetalle von Interesse, aber weich XAS Experimente O abgestimmt, F, C, B, N und L _2,3 die Kanten der ersten Reihe Übergangsmetalle werden manchmal auch auf Ex-situ-Proben ⁵ durchgeführt. Die von XAS-Experimente erzeugten Spektren kann in mehrere aufgeteilt werden distinct Regionen, die verschiedene Informationen (siehe Newville, M., Grundlagen der XAFS, http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf ). Das Hauptmerkmal, der aus der Absorptionskante und sich um 30-50 eV über die X-ray Absorption Near Edge Structure Bereich (XANES) und zeigt die Ionisationsschwelle auf Staaten-Kontinuum. Diese enthält Informationen über die Oxidationsstufe und Koordinationschemie des Absorbers. Der höhere Energieanteil des Spektrums wird als erweiterte Röntgenabsorptionsfeinstruktur (EXAFS) Region bekannt und entspricht der Streuung der ausgestoßenen Photoelektronen aus benachbarten Atomen. Fourier-Analyse dieser Region gibt Kurzstrecken strukturelle Informationen wie Bindungslängen und die Anzahl und Art der Nachbarionen. Preedge bietet unter dem characteristic Absorption Energien von einigen Verbindungen auch manchmal erscheinen. Diese ergeben sich aus Dipol verbotenen elektronischen Übergänge in gebundene Zustände für oktaedrische Geometrien oder Dipol erlaubt Orbital-Hybridisierung Effekte in Tetraeder diejenigen leer und kann oft auf die lokale Symmetrie der Absorption von Ionen (z. B. ob es sich tetraedrisch oder oktaedrisch koordiniert) korreliert werden ^6.

XAS ist eine besonders nützliche Technik zur Untersuchung Mischmetallsysteme wie NMCs zu Anfangs Redoxzustände bestimmen und welche Übergangsmetallionen während Delithiierung Lithiierung und Redox-Prozesse zu unterziehen. Daten über verschiedene Metalle rasch in einem einzigen Experiment erhalten werden, und die Auslegung ist ziemlich unkompliziert. Im Gegensatz dazu ist Mössbauer-Spektroskopie auf nur wenige Metalle Batteriematerialien (hauptsächlich Fe und Sn) verwendet. Während die magnetischen Messungen können auch verwendet werden, um den Oxidationsstufen zu bestimmen, magnetische Kopplungseffekte Komplikationen könnente Interpretation besonders für komplexe Oxide wie den DMR.

Gut geplante und durchgeführte in situ und Ex-situ-Synchrotron-XRD und XAS-Experimente geben ergänzende Informationen und damit ein vollständigeres Bild, um die strukturellen Veränderungen in der Elektrodenmaterialien auftreten während der normalen Batteriebetrieb als das, was über herkömmliche Techniken erhalten werden, gebildet werden. Dies wiederum ermöglicht ein besseres Verständnis dessen, was regelt das elektrochemische Verhalten der Geräte.