リチウムイオン電池の構造的および化学的特性

アプリケーションノート

Linda Romano博士により、 科学フェロー

はじめに

リチウムイオン電池は、最近の10年間で急速に改良され、携帯用電子機器、電気通信、および電気自動車(EV)などの大容量用途の主電源になりました。 電池製造業者およびエンドユーザーがより高い電池効率、より低いコスト、そして最も重要なことには安全性を要求するので、キャラクタリゼーション技術における継続的な改善も業界、規制および消費者のニーズを満たす必要がある。

考察

EAGラボラトリーズでは、リチウムイオン電池の構造的および化学的特性評価に適した一連の技術を提供しています。 走査型電子顕微鏡法と透過型電子顕微鏡法の両方(SEM 影響により TEM)は、バッテリーのさまざまな層の厚さと微細構造を提供するために使用されます。 イオンミリング技術は、サンプルの完全性を維持するために使用され、電池材料の元の状態の正確な表現を保証します。 これは、プロセス開発またはバッテリーの障害を正しく理解するために不可欠です。 X線回折(XRD)と組み合わせたTEMを使用して、Liイオンの拡散に関連する相転移を分析することもできます。 さらに、電極-電解質界面反応によって引き起こされる薄いSEI層の厚さは、TEMによってのみ視覚化できます。
電池材料の劣化メカニズムは、X線光電子分光法((例:XPS)化学状態情報とガスクロマトグラフィーを検出するGCMS)電池の膨張を招く恐れのある揮発性成分を検出する技術。 これらの技術とラマン分光法および赤外分光法(FTIR)、およびグロー放電質量分析法(GDMS)は、存在する可能性のある不純物を含め、電池内に存在する有機および無機種を検出できます。 誘導結合発光技術(ICP-OES)を使用して、Li /金属比を1%の不確かさの範囲内で決定することができます。これは、Liイオン電池のサイクル安定性を調整するために不可欠です。

リチウム電池

分解されたリチウム電池

EDXを用いた走査型電子顕微鏡

リチウムイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおけるSEM EDX

バッテリーサイクル

リチウムイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおける電池サイクル

TEM化学マッピング–カソード

Liイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおけるTEM化学マッピング

陽極のTEM

リチウムイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおける陽極のTEM

陽極構造の一部のTEM断面図は、グラファイト小板の積み重ねを示す。 SAEDは血小板の平行配向を示す。

電池カソードのICP-OES

リチウムイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおける電池正極のICP ‐ OES
  1. 電池性能の低下は、電気活性リチウムの損失に直接関係しています。 EAGは、さまざまな充電状態で、または一定数の充電/放電サイクルの後に、電池セルから電気活性カソード成分を抽出するためのプロトコルを開発しました。
  2. 陰極の元素組成を正確に決定するためのICP ‐ OES技術 容易にイオン化される種であるため、リチウムアッセイは困難であり、この影響を考慮に入れるためのプロトコルを用いて実行する必要があります。
  3. 上の表は、当社の高性能ICP-OES法で測定した、リチウムと遷移金属の含有量(この場合はMn)を含む、抽出された正極組成を示しています。
  4. この技術は、最もわずかなリチウム含有量の変化(XNUMX%の相対変化と同じくらい低い)を正確に追跡することを可能にする。

 

カソードのXRD相同定

Liイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおけるカソードのXRD相ID

FTIRスペクトル–セパレーター

Liイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおけるFTIRスペクトル

区切り文字も含まれています:

  • エチレンおよび炭酸ジエチルに似た有機炭酸塩
  • アミド(1635 cm-1)
  • NHおよび/またはOH含有種(3638および3447 cm-1)

高分解能XPSスペクトル

Liイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおける高分解能XPSスペクトル

XPS –Cuスペクトルの比較

リチウムイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおけるXPS

XPS –元素組成(原子%)A、B、C、D、E

リチウムイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションの元素組成

検出された要素の100%に正規化されます。 XPSはHまたはHeを検出しません。

b破線「-」は、要素が検出されないことを示します。

c「x」は、重複するFe3pピークからのスペクトル干渉のために、Liの存在を確認または除外できないことを示します。

d疑問符「?」 種が測定の検出限界またはその近くに存在する可能性があることを示します。

eセパレーター(1)とカソードで微量のMgとSが検出されました。

GCMSによる電解質溶媒

リチウムイオン電池の構造的および化学的キャラクタリゼーションにおけるGCMSによる電解質溶媒

実験

バッテリーサイクル + / - 10Vでのアノードおよびカソード材料の充電/放電を評価する。

FTIR: 分析された2つのサンプルはセパレータ成分とバインダー成分を含む。 各試料の表面を、連続顕微鏡を備えたサーモ - ニコレット(Thermo-Nicolet)6700フーリエ変換赤外(FTIR)分光計を用いて全反射減衰(ATR)モードで調べた。 Si結晶が、XNUMXミクロンのオーダーの典型的な侵入深さで使用された。 分析スポットサイズは、およそ1ミクロン×100ミクロンであった。 OMNIC 100ソフトウェアを用いてデータ分析を行った。

TEM: TEM対応試料は、FEI Strata Dual Beam FIB / SEMでin situ FIBリフトアウト技術を用いて調製した。 試料をIr層でキャップし、続いてFIBミリングの前にFIB電子ビームおよびiビームでPtを標的領域上に堆積させた。 試料は、明視野TEMモードおよび高角度年間暗視野(HAADF)STEMモードでXNUMXkVで操作されるFEI Tecnai Osiris TF − XNUMX FEG / TEMを用いて画像化された。 FEI Tecnai Osiris ChemiSTEMシステムで公称20nm電子ビームおよびBruker 200SDD検出器を使用してSTEMモードでEDXマップを得た。

XRD: すべてのデータは、Cr X線源(λ=2Å)を備えたBruker GADDS2.28973Dエリア検出器で取得されました。

SEM: 断面サンプルはイオンミリングによって準備され、帯電を減らすためにIrでコーティングされました。

XPS: X線光電子分光法は、定量的な原子組成と化学を決定するために使用されます。 XPSは、サンプルに単色X線を照射することで機能し、その結果、エネルギーが元素とその化学的/酸化状態に特徴的であり、その強度がサンプリングボリューム内に存在する元素の量を反映する光電子を放出します。 。 光電子はX線侵入深さ(通常は数ミクロン)内で生成されますが、検出されるのは上部の約50〜100Å内の光電子のみです(詳細については、以下の角度分解XPSを参照してください)。 分析領域は1400umx3000umです。 検出限界は約0.05〜1.0原子%です。

GCMS: ガラス製注射器を使用してテトラヒドロフラン「THF」を電池に直接注入し、続いてその同じ注射器で溶媒を除去した。 〜0.5 mLが回収されるまでこのプロセスを繰り返した。 回収した抽出物を直接GCMSに注入した。

ICP-OES: 誘導結合プラズマ分析技術は、pptからwt%の範囲で材料の元素含有量を定量的に測定できます。 固体サンプルは、液体、通常は酸性水溶液に溶解または分解されます。 次に、溶液が誘導結合されたアルゴンプラズマのコアに噴霧され、約8000°Cの温度に達する可能性があります。 このような高温では、すべての分析対象種が霧化、イオン化、熱励起され、発光分光計(ICP-OES)で検出および定量化できます。

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