Caracterización de los materiales de los electrodos de ión de litio y baterías de ión sodio utilizando técnicas de Radiación Sincrotrón

Las baterías de iones de litio para la electrónica de consumo actualmente mandan un mercado $ 11 mil millones en todo el mundo ( http://www.marketresearch.com/David-Company-v3832/Lithium-Ion-Batteries-Outlook-Alternative-6842261/ ) y son la mejor elección para aplicaciones vehiculares emergentes como plug-in de los vehículos eléctricos híbridos (PHEV) y vehículos eléctricos (EV). Análogos a estos dispositivos que utilizan los iones de sodio en lugar de litio se encuentran en etapas tempranas de desarrollo, pero se consideran atractivo para gran escala de almacenamiento de energía (es decir, aplicaciones de redes) con base en el precio y los argumentos de seguridad de suministro ^{1, 2.} Ambos sistemas de intercalación duales trabajan en el mismo principio, los iones de metales alcalinos lanzadera entre dos electrodos que actúan como estructuras de acogida, que se someten a procesos de inserción a diferentes potenciales. Las células electroquímicas mismos están RELtivamente sencilla, que consta de electrodos positivos y negativos compuestos en los colectores de corriente, separadas por una membrana porosa saturada con una solución electrolítica por lo general consiste en una sal disuelta en una mezcla de disolventes orgánicos (Figura 1). Grafito y _LiCoO2 son los electrodos más comúnmente empleados positivos y negativos, respectivamente, para las baterías de iones de litio. Varios materiales de los electrodos alternativos también se han desarrollado para aplicaciones específicas, incluyendo las variantes de LiMn ₂ O ₄ espinela, _LiFePO4 con la estructura de olivino, y los CMN (LiNi _x Mn _x Co _1-2x O ₂ compuestos) para los positivos, y los carbones duros, Li ₄ Ti ₅ O _12, y aleaciones de litio con el estaño para negativos ^3. Materiales de alta tensión como LiNi _0,5 Mn _1,5 O _4, los nuevos materiales de gran capacidad como los compuestos de capas de capas (por ejemplo XLI ₂ MnO <sub> 3 · (1-x) LiMn _0.5 Ni _0.5 O _2), compuestos con metales de transición que se someten a múltiples cambios en los estados redox, y ánodos de aleación Li-Si se encuentran actualmente sujetos de una intensa investigación, y, de ser desplegado con éxito, debe aumentar densidades de energía prácticos de células de iones de litio más. Otra clase de materiales, conocido como electrodos de conversión, en el que los óxidos de metales de transición, sulfuros, fluoruros o se reducen de forma reversible al elemento metálico y una sal de litio, también están bajo consideración para su uso como electrodos de la batería (principalmente como sustitutos de los ánodos) ^4. Para los dispositivos basados ​​en sodio, carbón duro, aleaciones, estructuras Nasicon y titanatos están siendo investigados para su uso como ánodos y varios óxidos de metales de transición y compuestos polianiónicos como cátodos.

Debido a que las baterías de iones de litio e iones de sodio no se basan en la química fijos, sus características de rendimiento varían considerablemente dependiendo de tque los electrodos que se emplean. El comportamiento redox de los electrodos determina los perfiles potenciales, capacidades de velocidad, y la vida de ciclo de los dispositivos. Polvo convencional de difracción de rayos X (DRX) técnicas se pueden utilizar para la caracterización estructural inicial de materiales vírgenes y medidas ex situ sobre electrodos andado en bicicleta, pero las consideraciones prácticas, tales como intensidad de señal baja y los relativamente largos tiempos necesarios para recopilar datos de limitar la cantidad de información que se pueden obtener en los procesos de descarga y carga. Por el contrario, los de alto brillo y cortas longitudes de onda de la radiación sincrotrón (por ejemplo, λ = 0,97 A en la línea de luz de la Stanford de Radiación Sincrotrón de Lightsource 11-3), combinado con el uso de detectores de imagen de alto rendimiento, la adquisición del permiso de datos de alta resolución sobre las muestras en tan poco como 10 segundos. En el trabajo in situ se realiza en el modo de transmisión de los componentes celulares sometidos a carga y descarga en herméticamente selladobolsas transparentes a los rayos X, sin tener que detener la operación para la adquisición de datos. Como resultado, los cambios estructurales de los electrodos se pueden observar como "instantáneas en el tiempo", como los ciclos celulares, y mucho más información se pueden obtener que con las técnicas convencionales.

Espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), también conocida como rayos X Absorción Fine Structure (XAFS) proporciona información sobre la estructura electrónica y geométrica local de materiales a veces. En experimentos XAS, la energía del fotón es sintonizado a los bordes de absorción características de los elementos específicos que se investigan. Más comúnmente para materiales de la batería, estas energías corresponden a los bordes (K-orbitales 1s) de los metales de transición de interés, pero XAS suaves experimentos sintonizados a O, F, C, B, N y L de los bordes _2,3 de primera fila metales de transición también a veces se llevan a cabo en muestras ex situ ^5. Los espectros generados por experimentos XAS se puede dividir en varios distregiones INCT, que contienen información diferente (ver Newville, M., Fundamentos de XAFS, http://xafs.org/Tutorials?action=AttachFile&do=get&target=Newville_xas_fundamentals.pdf ). La característica principal, que consiste en el borde de absorción y se extiende alrededor de 30-50 eV más allá es la absorción de rayos X Cerca de estructura de borde región (XANES) e indica el umbral de ionización a Continuum estados. Este contiene información sobre el estado de oxidación y química de coordinación del absorbedor. La parte de energía más alto del espectro se conoce como la de rayos X estructura extendida Absorción fina (EXAFS) región y corresponde a la dispersión de la fotoelectrones expulsado de los átomos vecinos. Análisis de Fourier de esta región da corto alcance información estructural tales como longitudes de enlace y el número y tipos de iones vecinos. Preedge cuenta por debajo de la characteristtambién aparecen a veces las energías de absorción ic de algunos compuestos. Surgen de dipolo transiciones electrónicas prohibidas para vaciar los estados consolidados para geometrías octaédricas o dipolo permitidos efectos de hibridación orbital en los tetraedros y, a menudo se pueden correlacionar con la simetría local del ion absorbe (por ejemplo, si se trata de tetraédricamente o octaédricamente coordinada) ^6.

XAS es una técnica particularmente útil para el estudio de sistemas metálicos mixtos tales como los CMN para determinar estados iniciales redox y que los iones de metales de transición se someten durante los procesos redox deslitiación y de litiación. Los datos sobre varios metales diferentes se pueden obtener con rapidez en un solo experimento y la interpretación es relativamente sencilla. Por el contrario, la espectroscopia Mössbauer se limita a sólo unos pocos metales utilizados en materiales de la batería (sobre todo, de Fe y Sn). Si bien las mediciones magnéticas también se pueden usar para determinar los estados de oxidación, los efectos de acoplamiento magnéticos pueden complicacionesinterpretación te particularmente para los óxidos complejos, como el CMN.

Bien planificadas y ejecutadas-in situ y ex situ y XRD sincrotrón experimentos XAS proporcionan información complementaria y permiten una visión más completa que se forme de los cambios estructurales que ocurren en materiales de electrodo durante el funcionamiento normal de la batería de la que puede obtenerse a través de técnicas convencionales. Esto, a su vez, da una mayor comprensión de lo que gobierna el comportamiento electroquímico de los dispositivos.