Analyse chimique complète des matériaux utilisés dans les batteries au lithium-ion

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INTRODUCTION

Dans les batteries lithium-ion (LIB), le stockage et la libération d'énergie sont assurés par le mouvement des ions lithium entre la cathode et l'anode via un milieu approprié appelé électrolyte. Dans les systèmes LIB, l'électrode d'anode sert de source de lithium et l'électrode de cathode d'hôte pour les ions lithium. Les LIB actuellement fabriqués sont basés sur une variété de chimies qui ont été développées et sélectionnées parmi une large gamme de matériaux et de systèmes électrochimiques appropriés qui ont été adaptés et optimisés pour des exigences de performances spécifiques, des besoins de durée de vie et, bien sûr, de sécurité (Schéma 1).

Il ne fait aucun doute que les LIB ont un potentiel énorme pour soutenir les technologies de stockage d'énergie à grande échelle. Cependant, le coût de fabrication reste un obstacle important à la mise en œuvre généralisée des LIB, en particulier dans la diversification des sources d'énergie pour les marchés des transports. La majeure partie de la réduction des coûts jusqu'à présent a été obtenue par des augmentations de densité d'énergie. On peut s'attendre à de nouvelles réductions de coûts grâce à l'optimisation des processus de fabrication. Les incertitudes de fabrication résultent principalement de la fluctuation des paramètres de traitement1, mais aussi de la qualité des précurseurs et des produits intermédiaires formulés. Les défauts introduits par des impuretés indésirables ou involontaires et la composition hors stoechiométrie, inévitables du fait de la thermodynamique, sont d'importantes sources d'incertitudes. Comme tous les systèmes dynamiques, l'interaction entre les défauts de structure et les performances des cellules est fortement couplée. Les défauts cristallins liés à la stoechiométrie peuvent déstabiliser la structure en couches de la cathode, par exemple, raccourcissant ainsi la durée de vie du cycle, tandis que les défauts d'impuretés sont connus pour participer à de multiples processus chimiques, physiques et électrochimiques qui accélèrent le vieillissement ou conduisent directement à la défaillance des batteries. :2

  • Court-circuit des cellules dû à des voies électriques internes déclenchées par des impuretés métalliques
  • Auto-décharge des micro-batteries internes créées par des impuretés magnétiques
  • Explosion de la cellule déclenchée par le dégazage de la formation d'hydrogène catalysée par les impuretés et la décomposition de l'électrolyte liquide

Le schéma 1 illustre certaines des techniques et méthodes d'analyse chimique qui peuvent aider à évaluer les compositions complètes des matériaux qui sont actuellement utilisés pour la fabrication des LIB. Pour chaque composant, nous discuterons individuellement des caractéristiques de l'échantillon, des exigences de spécification et des défis analytiques. En conséquence, le choix de la technique et les caractéristiques analytiques correspondantes, y compris la taille de l'échantillonnage, la couverture élémentaire, la précision, l'exactitude et les limites de détection vont être discutés.


Schéma 1: Techniques et méthodes d'analyse chimique adaptées aux analyses élémentaires sensibles et à l'évaluation de compositions complètes de précurseurs et / ou de produits intermédiaires utilisés dans la fabrication de LIB.

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