In Situ Neutronenpulver Mit Maßgeschneiderte Lithium-Ionen-Batterien

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien bieten tragbare Energie für die moderne Elektronik und sind in der Hochenergieanwendungen wichtig wie Elektrofahrzeuge und als Energiespeicher für Groß Erzeugung erneuerbarer Energie. ^3-7 eine Reihe von Herausforderungen für den breiten Einsatz von wiederaufladbaren erreichen bleiben Batterien in Fahrzeugen und Großspeicher, einschließlich Energiedichten und Sicherheit. Die Verwendung von in situ Methoden zur atomaren und molekularen Maßstab Batteriefunktion während des Betriebs werden immer häufiger zu sondieren, wie die Information in solchen Experimenten gewonnen kann Methoden, um bestehende Batteriematerialien verbessern lenken, zB durch die Ermittlung möglicher Ausfallmechanismen, ^8-10 und durch die Enthüllung Kristallstrukturen, die für die nächste Generation von Materialien angesehen werden können. ¹¹

Ein Hauptziel der in situ NPD ist es, die Kristallstruktur Entwicklung der Komponenten im Inneren einer Batterie zu sondierenals Funktion der Ladung / Entladung. Um die Kristallstruktur evolution müssen die Komponenten kristallin sein, das solche Studien auf kristallographisch geordneten Elektroden konzentriert messen. Es ist an den Elektroden, die die Ladungsträger (Lithium) eingefügt / extrahiert und solche Änderungen werden von NPD gefolgt. In situ bietet NPD die Möglichkeit zu "verfolgen" nicht nur die Reaktionsmechanismus und die Gitterparameter Evolution der Elektroden, sondern auch die Einführen / Extrahieren von Lithium aus den Elektroden. Im Wesentlichen die Ladungsträger in Lithium-Ionen-Batterien können verfolgt werden. Man erhält eine Lithium-zentrierte Ansicht der Batteriefunktion und wurde vor kurzem nur in wenigen Studien. ^11-13

NPD ist eine ideale Technik, um Lithium-haltige Materialien und Lithium-Ionen-Batterien zu prüfen. Dies liegt daran, NPD beruht auf der Wechselwirkung zwischen einem Neutronenstrahl und der Probe. Anders als Pulver-Röntgenbeugung (XRD), wobei die Wechselwirkungder Röntgenstrahlung überwiegend mit den Elektronen der Probe und somit ändert sich linear mit der Ordnungszahl, in NPD die Wechselwirkung von Neutronen-Wechselwirkungen, die Kerne in einer komplexeren und scheinbar zufällige Variation mit der Ordnungszahl führen vermittelt. Somit kann in situ NPD ist besonders vielversprechend für die Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterie-Materialien aufgrund von Faktoren wie der Empfindlichkeit des NPD Richtung Lithiumatomen in Gegenwart von schweren Elementen, die nicht zerstörende Wechselwirkung der Neutronen mit der Batterie und der Hoch Eindringtiefe von Neutronen ermöglicht die Prüfung der Volumenkristall-Struktur der Batteriekomponenten innerhalb ganze Batterien der Größe in kommerziellen Geräten verwendet. Daher wird in situ NPD ist besonders nützlich für die Untersuchung der Lithium-Ionen-Batterien als Ergebnis dieser Vorteile. Trotzdem ist die Aufnahme von in situ NPD Experimenten durch die Batterie-Forschung wurde begrenzt, es macht nur 25 Publikationen since den ersten Bericht unter Verwendung von in situ NPD für Batterieforschung 1998 ¹⁴ Die begrenzte Aufnahme ist auf einige wichtige experimentelle Hürden, wie die Notwendigkeit für die große inkohärente Neutronenstreuungsquerschnitt von Wasserstoff in den Elektrolytlösungen und Trenn Konto in der Batterie, die sich nachteilig auf die NPD-Signals. Dies wird oft durch Substitution mit deuteriertem ⁽² H) Elektrolytlösungen und Ersetzen des Separators mit alternativen wasserstofffreie oder schlechte Materialien überwinden. ¹⁵ weitere Hürde ist die Notwendigkeit, eine ausreichende Probe in dem Neutronenstrahl zu haben, eine Anforderung, die oft die Verwendung von bedingt dickere Elektroden, die wiederum begrenzt die maximale Lade- / Entlade-Rate, die an die Batterie angelegt werden kann. Eine praktischere Anliegen ist die relativ geringe Anzahl von weltweiten Neutronendiffraktometern relativ zu Röntgendiffraktometern und ihre Fähigkeiten – zB Zeit und Winkelauflösung. Als neue Neutronen diffractometer haben online geschaltet und die oben genannten Hürden zu überwinden, in situ NPD Experimente haben an Zahl zugenommen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, um in situ NPD Experimente durchführen, mit kommerziellen oder maßgeschneiderte Zellen. Kommerzielle Zellen wurde gezeigt, dass Strukturinformation, einschließlich der Entwicklung der Lithiumgehalt und Verteilung in Elektroden offenbaren. ^8-11,16-20 jedoch unter Verwendung kommerzieller Zellen begrenzt die Anzahl der Elektroden, die den bereits im Handel erhältlichen sucht werden können, und wobei Hersteller oder wählen Forschungseinrichtungen eingerückt, um Handelstyp-Zellen mit bisher un-kommerzialisierten Materialien herzustellen. Die Herstellung der kommerziellen Typ-Zellen ist abhängig von der Verfügbarkeit ausreichender Mengen an Elektrodenmaterial für die Zellherstellung, typischerweise in der Größenordnung von Kilogramm und deutlich höher als die in der Batterieforschung verwendet werden, die ein Hindernis für die Zellproduktion sein kann. Kommerzielle Zellen typically verfügen über zwei Elektroden, die während der Ladung / Entladung zu entwickeln und die Entwicklung der beiden Elektroden werden in den resultierenden Beugungsmuster erfasst werden. Dies, da die Neutronenstrahl ist sehr durchdringend und können die einzelnen Lithium-Ionen-Zellen eindringen (zB das gesamte Volumen von 18.650 Zellen). Die Entwicklung der beiden Elektroden kann die Datenanalyse kompliziert zu machen, aber wenn genügend Braggreflexionen beider Elektroden beobachtet werden können diese unter Verwendung von ganzen pulverMusterVerfahren modelliert werden. Dennoch können maßgeschneiderte Halbzellen aufgebaut werden, in dem eine Elektrode Lithium und sollte während der Ladung / Entladung nicht strukturell verändern und damit als (oder einem anderen) internen Standards zu handeln. Dies lässt nur eine Elektrode, die den Strukturwandel aufweisen sollte, vereinfacht die Datenanalyse. Es muss auch darauf geachtet werden, dass alle Elektroden Reflexionen von Interesse sind nicht mit Reflexionen von anderen Komponenten im Strukturwandel in der Zelle überlappen. Die AnzeigeAussichts eines maßgeschneiderten Zell ist, dass Komponenten können ausgetauscht werden, um Reflexionspositionen im Beugungsmuster zu verändern. Weiterhin maßgeschneiderte Zellen zu ermöglichen Forschern die Möglichkeit, grundsätzlich verbessert Signal-zu-Rausch-Verhältnisse und auf Materialien, die in kleinere Forschungs Chargen hergestellt werden und dadurch die in situ NPD Untersuchung einer größeren Vielfalt von Materialien ermöglicht untersuchen.

Bisher gab es sechs elektrochemischen Zelle Entwürfe für in situ NPD Studien berichtet, darunter drei zylindrischen Bauformen, ^14,15,21,22 zwei münzartigen Zelldesigns ^23-26 und einem Beutel Zelldesign. ^12,27 Der erste zylindrische Zelle Entwurf wurde in Anwendung beschränkt auf sehr niedrige Ladungs- / Entladungsraten aufgrund der großen Mengen an verwendeten Elektrodenmaterialien. ^14,21 Der Roll-Over-Design, unter ¹⁵ beschrieben und modifizierte Version des ursprünglichen zylindrischen Zelle, ²² haben viele der Überwindung Probleme mit t zugeordneter zunächst zylinderförmig ausgebildet und kann zur zuverlässigen Korrelation der Struktur der Elektrodenmaterialien mit ihren Elektro verwendet werden. Knopfzellen Entwürfe für in situ NPD ähnliche Mengen von Elektrodenmaterialien ermöglichen auch in Bezug auf die Überrollzelle zu sondiert werden, während mit feinen Unterschiede in Bezug auf die Konstruktion, anwendbaren Gebührensätze und Kosten. ¹⁵ Insbesondere die Knopfzellen Aktivität wurde kürzlich berichtet unter Verwendung einer Ti-Zn-Legierung als Hüllenmaterial (null-Matrix), der kein Signal in den NPD-Muster erzeugt gebaut worden. ^26. Dies ist ähnlich wie die Verwendung von Vanadium-Dosen in den Roll-over-Design nachstehend beschrieben . Ein Schlüsselfaktor, die gegen geltendes Lade / Entlade Sätze (und Polarisation) beeinflussen kann, ist Elektrodendicke, wo in der Regel dicker Elektroden erfordern die Anwendung von niedrigeren Strom. Die Zellkonstruktionen, die jetzt immer populärer werden, sind die Beutel Zellen mit Platten aus mehreren einzelnen Zellen in Parallelschaltung, ein Blatt oders, die in einer ähnlichen Weise wie die Konstruktion von Lithium-Ionen-Batterien in mobilen Elektronik gefunden gerollt. ^12,27 Diese Zelle rechteckig ist (ein Beutel), die bei höheren Ladungs ​​/ Entladungsraten als der Roll oder Münzentyp funktionieren können Zellen. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf den "Roll-over" Zelldesign, illustrieren die Zellenkonstruktion, Verwendung, und einige Ergebnisse mit der Zelle.

Die Elektrode Vorbereitung auf die Roll-over-Design-Batterien ist praktisch ähnlich dem Elektroden Vorbereitung für den Einsatz in herkömmlichen Knopfzellen. Die Elektrode kann auf den Stromabnehmer durch Rakeln gegossen werden, mit der größte Unterschied ist, dass die Elektrode muss Dimensionen größer als 35 x 120-150 mm überspannen. Dies kann schwierig sein, Mantel mit jedem Elektrodenmaterial gleichmäßig. Schichten der Elektrodenstromkollektor auf, der Separator und Lithiummetallfolie auf Stromabnehmer angeordnet sind, aufgerollt und in die Vanadium-Dosen eingesetzt. Der Elektrolyt Gebrauchd LiPF ₆ ist eine der am häufigsten verwendeten Salze in Lithiumionenbatterien mit deuteriertem Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat deuterierten. Diese Zelle wurde erfolgreich in vier berichteten Studien verwendet worden und wird im folgenden näher beschrieben. ^15,28-30