באתרו ניוטרון אבקת השתברות שימוש בסוללות ליתיום-יון מתוצרת מותאמת אישית

סוללות ליתיום-יון נטענות מספקות אנרגיה ניידת לאלקטרוניקה מודרנית וחשובות ביישומים עתיר אנרגיה כגון כלי רכב חשמליים והתקני אחסון אנרגיה עבור דור אנרגיה מתחדש בקנה מידה גדולה. ^3-7 מספר האתגרים להישאר כדי להשיג שימוש נרחב בנטען סוללות באחסון ברכב ובקנה מידה גדולה, כוללים צפיפויות אנרגיה ובטיחות. השימוש בשיטות באתרו לחקור פונקצית סוללה אטומית ומולקולרית במהלך פעולה נעשות נפוצה יותר ויותר כמידע שהושג בניסויים כאלה יכול לכוון את השיטות לשיפור חומרי סוללה קיימות, למשל על ידי זיהוי מנגנוני כשל אפשריים, ^8-10 ועל ידי חשיפה מבנים גבישיים שיכול להיחשב לדור הבא של חומרים. ¹¹

מטרה העיקרית של בNPD אתר היא לחקור את התפתחות המבנה הגבישי של הרכיבים בתוך סוללהכפונקציה של טעינה / פריקה. על מנת למדוד את התפתחות המבנה הגבישי הרכיבים חייבים להיות גבישים, המתמקדת כגון מחקרים על אלקטרודות crystallographically-הורה. זה באלקטרודות שנושאי המטען (ליתיום) מוכנס / חילוץ ושינויים כאלה ואחריו NPD. באתר NPD מציע את האפשרות "לעקוב" לא רק האבולוציה מנגנון התגובה ופרמטר סריג של אלקטרודות, אלא גם הכנסה / הוצאה של ליתיום מאלקטרודות. בעיקרו של דבר נושאי המטען בסוללות ליתיום-יון יכול להיות אחריו. זה נותן מבט מרוכז ליתיום של פונקצית הסוללה והודגם לאחרונה במחקרים ספורים בלבד. ^11-13

NPD הוא טכניקה אידיאלית לבחון חומרים המכיל ליתיום וסוללות ליתיום-יון. סיבה לכך הוא NPD מסתמך על האינטראקציה בין קרן ניטרונים והמדגם. שלא כמו קרן ה- X עקיפה אבקה (XRD), שבו האינטראקציהשל קרינת רנטגן היא בעיקר עם האלקטרונים של המדגם ובכך משתנה באופן ליניארי עם מספר אטומי, בNPD האינטראקציה מתווכת על ידי אינטראקציות ניטרוני גרעינים שתגרומנה לוריאציה מורכבת יותר ואקראית לכאורה עם מספר אטומי. כך, באתר NPD הוא מבטיח במיוחד עבור המחקר של חומרי סוללת ליתיום-יון בשל גורמים כגון הרגישות של NPD לאטומי ליתיום בנוכחות יסודות כבדים יותר, האינטראקציה לא הרסנית של ניטרונים עם הסוללה, וגבוהה עומק חדירה של ניטרונים המאפשרים הבחינה של גביש-מבנה הארי של רכיבי הסוללה בתוך הסוללות של הגודל המשמש במכשירים מסחריים כולו. לכן, באתר NPD הוא שימושי במיוחד עבור המחקר של סוללות ליתיום-יון, כתוצאה מיתרונות אלה. למרות זאת, את הספיגה של בניסויי NPD אתר על ידי קהילת הסוללה המחקר הייתה מוגבלת, ומסתכמת רק בחטא 25 פרסומיםCe הדו"ח הראשון של השימוש בNPD אתר למחקר סוללה בשינה 1998. ¹⁴ הספיגה המוגבלת בשל כמה מכשולים ניסיוניים גדולים, כגון הצורך לתת דין וחשבון לחלק הגדול מבולבל פיזור נויטרונים הצלב של מימן בפתרונות אלקטרוליט ומפריד בסוללה, שהוא מזיק לאות NPD. זה להתגבר לעתים קרובות על ידי החלפה עם פתרונות deuterated ⁽² H) אלקטרוליט והחלפת המפריד עם חופשי מימן חלופי או חומרים עניים. ¹⁵ משוכה נוספת היא הצורך במדגם מספיק בקרן הנויטרונים, דרישה שמחייבת לעתים קרובות שימוש ב אלקטרודות עבות יותר אשר בתורו מגבילה את הטעינה המקסימלי / שיעור פריקה שיכולה להיות מיושם על הסוללה. דאגה מעשית יותר היא המספר הקטן יחסית של diffractometers העולם רחב ניטרונים ביחס לdiffractometers רנטגן, והיכולות שלהם – למשל בזמן ופרדה זוויתית. כdiffractome ניטרונים החדשכל האשכול נכנס לרשת והמכשולים הנ"ל להתגבר, בניסויי NPD אתר גדלו במספר.

ישנן שתי אפשרויות לביצוע בניסויי NPD אתר, תוך שימוש בתאים מסחריים או שהותקנו. תאים מסחריים כבר הוכיח כדי לחשוף מידע מבני, ובכלל זה על האבולוציה של תוכן ליתיום והפצה באלקטרודות. ^8-11,16-20 עם זאת, שימוש בתאים מסחריים מגביל את מספר אלקטרודות שניתן ללמוד לאלה שכבר זמינים באופן מסחרי, ושבו יצרנים או מתקני מחקר בחרו עוסקים לייצר תאים מסחרי מסוג עם חומרים עדיין בלתי ממוסחרים. הייצור של התאים מסחרי מהסוג זה תלוי בזמינות של כמויות מספיקות של חומר האלקטרודה לייצור תא, בדרך כלל בסדר גודל של ק"ג וגבוה באופן משמעותי מזה נהוג במחקר סוללה, אשר יכול להיות מכשול לייצור תאים. טאי תאים מסחרייםpically כוללים שתי אלקטרודות שתתפתחנה במהלך טעינה / פריקה והאבולוציה של שני אלקטרודות תהיה שנתפסו בדפוסי עקיפה וכתוצאה מכך. סיבה לכך הוא קרן הנויטרונים היא מאוד נוקב ויכולה לחדור לתאים ליתיום-יון אחד (למשל, כל הנפח של 18,650 תאים). האבולוציה של שתי אלקטרודות יכולה לעשות ניתוח נתונים מסובכים, אבל אם השתקפויות בראג מספקות של שני אלקטרודות הם נצפו אלה יכולים להיות מודל באמצעות שיטות אבקה-דפוס שלמים. יחד עם זאת, ניתן לבנות מחצית תאים מותאמות אישית שבו אלקטרודה אחת הוא ליתיום ולא צריך מבני להשתנות במהלך טעינה / פריקה, ולכן יפעל כ( או אחר) תקן פנימי. זה משאיר רק אחד אלקטרודה שצריכה להפגין שינוי מבני, לפשט ניתוח נתונים. צריך גם להקפיד על מנת להבטיח שכל השתקפויות אלקטרודה של ריבית אינן חופפות עם השתקפויות מרכיבים אחרים עוברות שינוי מבני בתא. המודעהתצפית של תא מחוייט היא שאפשר להחליף רכיבים לשנות עמדות השתקפות בדפוסי עקיפה. יתר על כן, תאים מותאמים אישית נאפשר לחוקרים את האפשרות, באופן עקרוני, לשפר את יחסי אות לרעש ולחקור חומרים שמיוצרים בקבוצות מחקר קטנה יותר בקנה מידה ובכך מאפשרים מחקר NPD באתרו של מגוון גדול יותר של חומרים.

עד כה היו שישה עיצובי תא אלקטרוכימי במחקרי NPD האתר דיווח, ביניהם שלושה עיצובים גליליים, ^14,15,21,22 שני עיצובי תא מטבע סוג ^23-26 ועיצוב תא כיס. ^12,27 התא הגלילי הראשון העיצוב היה מוגבל בשימוש לטעינה נמוכה מאוד / שיעורי פריקה בשל הכמויות הגדולות של חומרי אלקטרודה המשמשות. ^14,21 עיצוב רול מעל, ¹⁵ שיפורטו להלן, ושינוי גרסה של התא הגלילי המקורי, ²² התגברו על רבים מ בעיות הקשורות לtהוא העיצוב הראשון גלילי, ויכול לשמש לאמין המקשר את המבנה של חומרי אלקטרודה עם אלקטרוכימיה. עיצובי מטבע תא בNPD האתר מאפשר גם כמויות דומות של חומרי אלקטרודה ללהיחקר ביחס לרול מעל התא, בעוד שמציעות הבדלים דקים במונחים של בנייה, שיעורי טעינה ישימים, ועלות. ¹⁵ בפרט, מטבע התאים סוג לאחרונה דווח שנבנה באמצעות סגסוגת Ti-Zn כחומר המעטפת (null-מטריצה) אשר מייצר אין אות בדפוסי NPD. ²⁶ זה דומה לשימוש בפחיות ונדיום בעיצוב רול מעל מתוארים להלן . גורם מרכזי שיכול להשפיע על תשלום ישים / שיעורי פריקה (וקיטוב) הוא עובי אלקטרודה, שבו אלקטרודות בדרך כלל עבות יותר דורשות היישום של זרם נמוך. עיצובי התא שכעת הופכים לפופולריים יותר הם תאי הנרתיק עם גיליונות של מספר תאים המחוברים במקביל, או גיליוןשל שהם התגלגלו באופן דומה לבנייה של סוללות ליתיום-יון נמצאת באלקטרוניקה ניידת. ^12,27 תא זה הוא מלבני (נרתיק) שיכול לתפקד בשיעורי טעינה / פריקה גבוהות יותר מהרול מעל או מטבע הסוג תאים. בעבודה זו, אנו מתמקדים בעיצוב 'רול מעל' התא, הממחישים את בניית תא, השימוש, וכמה תוצאות שימוש בתא.

הכנת אלקטרודה לסוללות עיצוב רול מעל כמעט דומה להכנת אלקטרודה לשימוש בסוללות מטבע תא קונבנציונליות. אלקטרודה ניתן להטיל על האספן הנוכחי על ידי blading רופא, עם ההבדל הגדול ביותר הוא שהאלקטרודה צריכה להקיף ממדים גדולים יותר מ -35 x 120-150 מ"מ. זה יכול להיות קשה באופן אחיד מעיל עם כל חומר האלקטרודה. שכבות של האלקטרודה באספן נוכחי, מפריד, ומתכת רדיד ליתיום באספן נוכחי מסודרות, התגלגלו, ומוכנסות לתוך הפחים ונדיום. שימוש אלקטרוליטד הוא ₆ LiPF, אחד מהמלחים הנפוצים ביותר בסוללות ליתיום-יון עם קרבונט אתילן deuterated ופחם דימתיל deuterated. תא זה שמש בהצלחה בארבעה מחקרים דיווחו ויתואר ביתר פירוט להלן. ^15,28-30