673886040@qq.com
Методы исследования поверхности проливают новый свет на диффузию лития в материалах батарей
OCI Vacuum Microengineering, канадский производитель специального оборудования для анализа поверхности тонких пленок, применяет свои коллективные знания и опыт в области изучения локализованной диффузии лития в ряде энергоаккумулирующих материалов. Есть надежда, что внутренняя инициатива в области исследований и разработок, если она будет переведена в широкомасштабное коммерческое внедрение по всей цепочке поставок аккумуляторов, даст революционные аналитические возможности для быстрой оценки и оптимизации электродных материалов следующего поколения, промежуточных слоев и стабилизирующих материалов. компаунды для технологий аккумуляторов на основе лития. Что касается специфики проекта, команда OCI отслеживает диффузию лития в твердом состоянии из источника газовой фазы в материалы тонкопленочных аккумуляторов, используя две «аналитические рабочие лошадки» мира науки о поверхности: спектроскопию электронов Оже (AES) и низкоэнергетическую спектроскопию. дифракция электронов (ДМЭ). Два метода, развернутые в тандеме, обеспечивают дополнительную информацию об исследуемом образце: AES исследует элементный состав приповерхностной среды (обычно на глубину 3–10 нм), а LEED определяет поверхностную структуру монокристалла. материалы путем бомбардировки коллимированным пучком низкоэнергетических электронов (и последующего наблюдения дифрагированных электронов на флуоресцентном экране).
Уникальные перспективы
Компания OCI, основанная в 1990 году, уже имеет международную клиентскую базу в области исследований и разработок, которая использует свои спектрометры LEED и AES для определения характеристик всевозможных наноматериалов. Основные области применения включают 2D-материалы, органические тонкие пленки для электронных устройств, усовершенствованную фотогальванику и магнитные тонкие пленки (для спинтроники и сверхпроводников) — в каждом случае обеспечивается совместимость практически с любой системой вакуумного напыления тонких пленок (включая молекулярно-лучевую эпитаксию и химическое осаждение из паровой фазы). ).
«В настоящее время использование инструментов исследования поверхности для оценки диффузии лития в материалах для хранения энергии является доказательством принципа с нашей стороны», — объясняет Йозеф Осиепа, президент и главный научный сотрудник OCI. Он добавляет, что цель состоит в том, чтобы использовать реальные экспериментальные данные для информирования потенциальных и существующих клиентов о полезности AES/LEED для их программ исследований и разработок аккумуляторов, а также в процессе открытия новых коммерческих возможностей для OCI. «Мы хотим показать производителям аккумуляторов и компаниям, занимающимся передовыми материалами, как LEED и AES могут помочь им взглянуть «новым взглядом» на характеристики аккумуляторов — оценивая фундаментальную физику новых анодных и катодных материалов, например, на ранних стадиях продукта. цикл развития».
Все это важно, учитывая неустанный поиск в аккумуляторной промышленности инновационных электродных материалов, способных накапливать больше ионов лития в своих кристаллических структурах, а также обеспечивать высокую подвижность ионов лития, стабильную циклическую зарядку и увеличенный срок службы. «Конечно, технология литий-ионных аккумуляторов доказала свою эффективность, но все еще есть фундаментальные проблемы с производительностью, которые необходимо решить», — отмечает Осиепа. Эти проблемы включают низкую плотность энергии, снижение емкости и рост дендритов (древовидные литиевые структуры, которые могут привести к катастрофическому отказу батареи). «Использование LEED и AES откроет более широкий спектр аналитических возможностей, чтобы лучше охарактеризовать материалы аккумуляторов следующего поколения», — добавляет он.
Осиепа и его коллеги разрабатывали свой тестер диффузии лития, который требует рабочей среды сверхвысокого вакуума (СВВ), в течение последних 18 месяцев и представил первоначальные результаты исследований для ряда материалов на ежегодном собрании Электрохимического общества (ECS) в Атланте. GA в октябре прошлого года (см. «Как фундаментальная физика влияет на производительность батареи» ниже). Учитывая, что приборы AES и LEED представляют собой испытанные линейки продуктов OCI, технологический прорыв заключается в интеграции нескольких основных строительных блоков в систему диффузионных испытаний, в частности, конфигурации AES/LEED, источника испарения лития, охлаждения столика для образцов. и обогрев, а также грузовой замок и перчаточный ящик.
«Тестер диффузии лития теперь представляет собой систему «под ключ», готовую к отправке клиентам в течение шести месяцев с момента заказа», — отмечает Осьепа. «В настоящее время мы находимся на стадии внедрения и проверки платформы на ряде аккумуляторных материалов, включая наноструктурированный кремний, карбид кремния и высокоориентированный пиролитический графит».
Локализация — это ключ
Технологические инновации также продолжаются: команда OCI недавно интегрировала совместимую с UHV электрохимическую испытательную ячейку вместе с тестером диффузии лития. Эта расширенная конфигурация открывает путь к характеризации поверхности отдельных электродов батареи на месте с использованием ДМЭ и АЭС, при этом эти компоненты можно переносить из электрохимической испытательной камеры в диффузионную испытательную камеру без нарушения условий вакуума.
Большим преимуществом здесь является использование методов исследования поверхности для измерения диффузии лития внутри отдельных электродов отдельно от элемента батареи, что является значительным достижением для производителей батарей, чьи традиционные электрохимические методы испытаний отслеживают диффузию лития через анод, катод и электролит, объединенные вместе в одном элементе. клетка. «Наш подход AES/LEED предлагает беспрецедентную локализацию и более детализированную картину для тестирования производительности, анализа деградации и отказов, а также прогнозирования срока службы материалов-кандидатов для аккумуляторов следующего поколения», — отмечает Осьепа.
В конечном счете, заключает Осиепа, комбинированные методы могут генерировать уникальные наборы данных о диффузии лития, которые промышленность не может получить никаким другим способом. «Мы думаем, что эта возможность даст альтернативный взгляд на производительность батареи, ускорит внедрение новых материалов-кандидатов, а также выявит критические точки отказа на ранних этапах цикла разработки продукта».
