แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบของเหลวที่ใช้ในปัจจุบันเรียกว่า "LIB"
LIB ชาร์จและคายประจุโดยการเคลื่อนย้ายไอออนลิเธียมระหว่างแคโทดและแอโนดผ่านสารละลายอิเล็กโทรไลต์
ตัวแยกโพลีเมอร์จะถูกวางไว้ระหว่างแคโทดและแอโนดเพื่อป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร และใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีตัวทำละลายอินทรีย์เพื่ออำนวยความสะดวกในการนำไอออน
องค์ประกอบและรูปร่างของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB)
โครงสร้างพื้นฐานของ LIB ประกอบด้วยส่วนประกอบดังแสดงในรูปทางด้านขวา
สำหรับแคโทด จะใช้สารประกอบออกไซด์ที่มีลิเธียมเป็นวัสดุออกฤทธิ์หลัก ซึ่งผลิตขึ้นโดยการผสมวัสดุคาร์บอนซึ่งเป็นสารเติมแต่งที่นำไฟฟ้าเข้ากับสารยึดเกาะโพลิเมอร์
สำหรับขั้วบวกนั้น จะใช้คาร์บอนกราไฟต์ที่สามารถแทรกลิเธียมได้ และเตรียมโดยใช้สารยึดเกาะโพลีเมอร์ในลักษณะเดียวกัน
ฟิล์มแยกสำหรับ LIB ทำจากโพลิเมอร์ที่มีรูพรุนซึ่งมีรูพรุนละเอียด
ตัวแยกเหล่านี้ทำหน้าที่ด้านความปลอดภัยโดยการปิดรูพรุนในกรณีที่เกิดความร้อนสูงเกิน จึงป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรที่เกิดจากการสัมผัสระหว่างแคโทดและแอโนด
สารละลายอิเล็กโทรไลต์เตรียมโดยการละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีลิเธียมในตัวทำละลายอินทรีย์
สำหรับทั้งแคโทดและแอโนด แผ่นอิเล็กโทรดจะถูกเตรียมโดยการเคลือบสารออกฤทธิ์แต่ละชนิดบนแผ่นโลหะเก็บกระแสไฟฟ้า
รูปแบบแบตเตอรี่หลักๆ คือ ทรงกระบอก ปริซึม (สี่เหลี่ยม) และซอง (ลามิเนต)
ในแบตเตอรี่ทรงกระบอกและแบบปริซึม จะมีการวางแผ่นแยกไว้ระหว่างแผ่นแคโทดและแอโนด จากนั้นจึงพันแผ่นแคโทดเข้าด้วยกันโดยใช้วิธีการพันเพื่อสร้างเซลล์
ในแบตเตอรี่แบบซอง นอกจากวิธีการพันแล้ว ยังมีการใช้วิธีการซ้อนด้วย โดยแผ่นแคโทด แผ่นแยก และแผ่นแอโนดจะถูกวางซ้อนกันเป็นชั้นๆ ตามลำดับ
แบตเตอรี่ทรงกระบอก
แบตเตอรี่ทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า
แบตเตอรี่เคลือบลามิเนต
เนื่องจากวัสดุที่ใช้มีลิเธียมที่มีปฏิกิริยาสูง การผลิตจึงต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่แยกอากาศ เช่น ห้องแห้ง
ในทำนองเดียวกัน การวิเคราะห์วัสดุต้องดำเนินการเตรียมตัวอย่าง การสังเกต และการวิเคราะห์ภายใต้สภาวะที่แยกอากาศ
ดังนั้น เครื่องมือที่แยกอากาศและระบบรวมที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันจึงมีประสิทธิภาพสูงในการวิเคราะห์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
หมายเหตุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
การใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกำลังขยายตัวจากโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ไปจนถึงรถยนต์และระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่ ซึ่งต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น (เช่น เอาต์พุต ความเสถียร ฯลฯ) และความปลอดภัย จำเป็นต้องมีเครื่องมือประเมินที่หลากหลายเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและคุณภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน บันทึก LIB ฉบับนี้จะแนะนำคุณสมบัติและฟังก์ชันการใช้งานของเครื่องมือแต่ละชนิดสำหรับการประเมินวัสดุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
แคโทด
วัสดุแคโทด:
ส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้
แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ (ซ้าย) และแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์แบบมีวัสดุแคโทด (ขวา)
แคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปประกอบด้วยตัวเก็บกระแสไฟฟ้า วัสดุแอคทีฟของแคโทด สารเติมแต่งตัวนำ และสารยึดเกาะ
แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ใช้เป็นตัวรับกระแสไฟฟ้า และเคลือบสารละลายที่ทำจากการละลายและการนวดวัสดุแอคทีฟแคโทด สารเติมแต่งตัวนำ และสารยึดเกาะในสารละลายลงไป
รูปภาพทางด้านซ้ายแสดงให้เห็นตัวรวบรวมกระแสไฟฟ้าที่ทำจากแผ่นอลูมิเนียมก่อนที่จะใช้วัสดุแคโทด
รูปทางด้านขวาแสดงให้เห็นแผ่นฟอยล์อลูมิเนียมหลังจากเคลือบวัสดุแคโทดแล้ว โดยบริเวณสีดำตรงกลางแสดงถึงวัสดุอิเล็กโทรดที่นำไปใช้
ผงวัสดุแคโทด (ซ้าย)
วัสดุแคโทด NMC811 ภาพ SEM (ขวา)
ออกไซด์ของโลหะทรานซิชันที่มีลิเธียมใช้เป็นวัสดุแอคทีฟแคโทด
วัสดุทั่วไปได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO) และวัสดุแคโทดเทอร์นารี เช่น NMC (Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2) ซึ่งโคบอลต์บางส่วนถูกแทนที่ด้วยนิกเกิลและแมงกานีส ชื่อ "NMC" มาจากตัวอักษรย่อของโลหะทรานซิชัน ได้แก่ Ni, Mn และ Co
วัสดุที่นิยมใช้กันอีกชนิดหนึ่งคือ NCA ประกอบด้วยนิกเกิล โคบอลต์ และอะลูมิเนียม วัสดุเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า รวมถึงรถยนต์
นอกจากนี้ LFP (LiFePO44) ซึ่งใช้ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็นวัสดุแอคทีฟแคโทด มักถูกนำมาใช้ วัสดุที่มีส่วนประกอบของเหล็กฟอสเฟตเป็นที่รู้จักในเรื่องความปลอดภัยสูงเนื่องจากโครงสร้างผลึกที่มั่นคง ทนทานต่อการยุบตัวแม้ภายใต้ความร้อนภายใน วิธีนี้ช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดความร้อนสะสม จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในยานยนต์
นอกจากนี้ เนื่องจากเหล็กมีราคาถูกกว่าโลหะทรานสิชั่นอื่น LFP จึงมีข้อได้เปรียบในแง่ของต้นทุนการผลิต
โครงสร้างผลึกของวัสดุแคโทด
โครงสร้างเกลือหินแบบหลายชั้นของ NMC/NCA (ซ้าย)
โครงสร้างโอลิวีนของ LFP (ขวา)
อ้างถึง :
เจ.แอพพ์คริสตัล(2011)44,1272-1276
วัสดุแอคทีฟแคโทดแต่ละชนิดจะมีความจุเชิงทฤษฎี ซึ่งแสดงถึงปริมาณประจุไฟฟ้าที่สอดคล้องกับปริมาณลิเธียม
อย่างไรก็ตาม การเพิ่มประสิทธิภาพเต็มที่เพื่อให้บรรลุขีดความสามารถสูงสุดยังไม่เกิดขึ้น
กำลังมีความพยายามในการพัฒนาเพื่อสร้างวัสดุแคโทดที่มีความจุสูงยิ่งขึ้น
ในงานวิจัยและพัฒนา มีการศึกษาอย่างจริงจังเกี่ยวกับโลหะทรานซิชันและวัสดุทดแทนที่มีปริมาณลิเธียมที่ปรับเปลี่ยน
ในการประเมินระหว่างการวิจัยและพัฒนา จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ต่างๆ นอกเหนือไปจากประสิทธิภาพพื้นฐานของแบตเตอรี่ เช่น ความเสถียรของโครงสร้างผลึกระหว่างปฏิกิริยาการแทรกและการสกัดลิเธียม และความหนาและองค์ประกอบของชั้นเคลือบผิว
| วัสดุแคโทด | แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ย [V] | ความจุเชิงทฤษฎี [mAh/g] | ความจุจริง [mAh/g] | ลักษณะวงจร | ลักษณะ |
|---|---|---|---|---|---|
| ลิโคโอ2 | 3.7 | 274 | 148 | 500 1,000 ~ | วัตถุดิบราคาแพง/เสถียรภาพทางความร้อนค่อนข้างต่ำ |
| NMC | 3.6 | 280 | 160 | 1,000 2,000 ~ | การเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นเป็นแบบค่อยเป็นค่อยไป |
| NCA | 3.6 | 279 | 199 | 500 1,000 ~ | ความหนาแน่นของพลังงานสูง/ทนทานต่ออุณหภูมิต่ำได้ค่อนข้างดี |
| LiFePO4 | 3.2 | 170 | 165 | 1,000 2,000 ~ | วัตถุดิบราคาถูกกว่า/ศักยภาพการเปลี่ยนแปลงคงที่/ความเสถียรค่อนข้างสูง |
ฟอยล์ตัวเก็บกระแสแคโทด
แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ถือเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับตัวเก็บกระแสแคโทด เนื่องจากแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์จะยึดวัสดุแอคทีฟของแคโทดไว้และช่วยถ่ายโอนอิเล็กตรอนเพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้
มีคุณสมบัติเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูง ทนทานต่อการกัดกร่อน และไม่ได้รับผลกระทบจากการเจือปนลิเธียมไอออน
พื้นผิวถูกเคลือบด้วยชั้นออกไซด์ตามธรรมชาติ และในระหว่างการชาร์จ อะลูมิเนียมฟลูออไรด์ (AlF) จะทนทานต่อการกัดกร่อนมากขึ้น3) มีรูปแบบเป็นชั้นๆ ช่วยให้แคโทดสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าสูงได้
ตัวอย่างการวิเคราะห์วัสดุแคโทด
การประเมินโครงสร้างของวัสดุแคโทดแอคทีฟ
ภาพ SEM ของหน้าตัดอนุภาคแคโทด
วัสดุแอคทีฟแคโทดประกอบด้วยอนุภาครองทรงกลม ซึ่งเกิดจากการเผาผนึกอนุภาคหลักที่มีขนาดเล็กกว่า
ขนาดของอนุภาคหลักจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัสดุ โดยทั่วไปจะมีขนาดตั้งแต่หลายสิบนาโนเมตรไปจนถึงหลายร้อยนาโนเมตร
ระหว่างการชาร์จ ลิเธียมจะถูกดึงออกมาจากวัสดุแคโทดแอคทีฟที่มีลิเธียมเป็นส่วนประกอบ
ในระหว่างการปล่อยประจุ ไอออนลิเธียมคาดว่าจะกลับไปสู่ตำแหน่งเดิมภายในโครงตาข่ายผลึก
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การชาร์จมากเกินไป ไอออนลิเธียมอาจไม่กลับคืนมาเต็มที่ ส่งผลให้โครงสร้างเปลี่ยนแปลงไป
การประเมินการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเหล่านี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจกลไกและขอบเขตของการเสื่อมประสิทธิภาพของแบตเตอรี่
สำหรับการวิเคราะห์โครงสร้าง จะมีการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) นอกเหนือจากการประเมินโครงสร้างโดยเฉลี่ยโดยใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และการสเปกโตรสโคปีแบบรามาน
ตัวอย่างต่อไปนี้จะสาธิตวิธีการประเมินการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกโดยใช้การวิเคราะห์รามานที่บูรณาการกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) รวมถึงการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนและการถ่ายภาพความละเอียดระดับอะตอมของบริเวณเฉพาะโดยใช้ TEM
กรณีอื่นแสดงให้เห็นการใช้ Nuclear Magnetic Resonance (NMR) แบบโซลิดสเตตเพื่อวิเคราะห์พฤติกรรมของลิเธียมในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ
รูปด้านล่างแสดงตัวอย่างการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในวัสดุแอคทีฟแคโทดที่สถานะประจุต่างๆ โดยใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์รามานที่รวมเข้ากับ SEM ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบ SEM-EDS-Raman ร่วมกัน
สเปกตรัมรามานจะจับภาพการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในวัสดุแอคทีฟแคโทดในสี่ขั้นตอน ได้แก่ ไม่มีประจุ สถานะประจุ (SOC) 50% SOC 100% และมีประจุเกิน
การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ไม่สามารถตรวจจับได้โดย EDS เพียงอย่างเดียว
การสเปกโตรสโคปีแบบรามานเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่น ซึ่งเรียกว่าการเลื่อนรามาน เมื่อเทียบกับแสงเลเซอร์ ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงในโหมดการสั่นสะเทือนตามยาวและตามขวางระหว่างอะตอมออกซิเจนในโครงตาข่ายผลึกขณะสกัดลิเธียมในระหว่างการชาร์จ
การเลื่อนสเปกตรัมเหล่านี้สะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างผลึกที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาณลิเธียม
ตัวอย่างโดย:
ศาสตราจารย์อัตสึโนริ มัตสึดะ
ภาควิชาวิศวกรรมสารสนเทศไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีโทโยฮาชิ
รูปด้านล่างแสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนใกล้พื้นผิวของอนุภาควัสดุแคโทดซึ่งได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM)
มีการสังเกตรูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันที่พื้นผิวและภายในของอนุภาคแคโทด ซึ่งบ่งชี้ว่าโครงสร้างผลึกของอนุภาคแคโทดมีความแตกต่างกัน
สำหรับการเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนแบบเฉพาะที่ จะใช้การเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนลำแสงนาโน (NBD)
โดยการใช้กรรมวิธี NBD รูปแบบการเลี้ยวเบนที่ตำแหน่งการวิเคราะห์ "1" (ภายในอนุภาค) ได้รับการระบุว่าสอดคล้องกับแกนโซน [11-20] ของโครงสร้างเกลือหินแบบหลายชั้น
ในทางตรงกันข้าม ที่ตำแหน่งการวิเคราะห์ "2" (พื้นผิว) สังเกตเห็นรูปแบบการเลี้ยวเบนที่แตกต่างกัน ซึ่งชี้ให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างใกล้กับพื้นผิวของอนุภาค
รูปแบบ NBD ที่ได้จากพื้นผิวและภายในอนุภาค
รูปด้านล่างแสดงผลของการวางแนวผลึกและการวิเคราะห์โครงสร้างของอนุภาคภายในวัสดุแอคทีฟแคโทดโดยใช้การเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนแบบพรีเซสชัน (PED)
PED เป็นเทคนิคการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่ช่วยลดผลกระทบของการเลี้ยวเบนแบบไดนามิกโดยการประมวลผลลำแสงอิเล็กตรอนที่ตกกระทบด้วยมุมเอียงคงที่เมื่อเทียบกับแกนแสง
การรวบรวมรูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่จุดที่สแกนแต่ละจุด จะทำให้สามารถสร้าง (ก) แผนที่การวางแนวผลึก และ (ข) แผนที่การกระจายเฟสได้
แผนที่: แผนที่การวางแนวผลึกของอนุภาควัสดุที่ใช้งานแคโทด
มีสีตามการวางแนวของผลึกอนุภาค
แผนผังเฟสของอนุภาควัสดุแอคทีฟแคโทด
ความแตกต่างของสีระหว่างพื้นผิวและโครงสร้างภายใน
สีแดง: โครงสร้างเกลือหินแบบชั้น สีเขียว: โครงสร้างเกลือหินแบบลูกบาศก์
รูปด้านล่างแสดงตัวอย่างพื้นผิวของอนุภาควัสดุแอคทีฟแคโทดที่สังเกตได้ก่อนและหลังการชาร์จ/การคายประจุโดยใช้การถ่ายภาพ HAADF-STEM ที่มีความละเอียดระดับอะตอม
ชั้นไตรอะตอมิกบนพื้นผิวอิเล็กโทรดของอนุภาควัสดุที่ใช้งานจะเปลี่ยนแปลงไปหลังจากการชาร์จ/การคายประจุ
อย่างไรก็ตาม แทบจะไม่เห็นจุดสว่างของอะตอมที่บริเวณที่มีลิเธียมและออกซิเจนอยู่ภายในกรอบสีแดง ซึ่งเป็นไปตามที่คาดการณ์ไว้ เนื่องจากธาตุเบาอย่างลิเธียมนั้นตรวจจับได้ยากโดยใช้วิธี STEM-HAADF
ในทางกลับกัน หลังจากการชาร์จและการคายประจุ จุดสว่างอะตอมจะปรากฏที่ไซต์ลิเธียมภายในกรอบสีแดง
จุดสว่างเหล่านี้บ่งชี้ถึงปรากฏการณ์ของการผสมของไอออนบวก โดยที่ไอออนของโลหะทรานซิชันครอบครองไซต์ลิเธียม
ก่อนการชาร์จ/การคายประจุ
หลังจากการชาร์จ/การคายประจุ
โครงสร้าง NMC
อ้างถึง :
เจ.แอพพ์คริสตัล(2011)44,1272-1276
7Li solid-state NMR เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสำหรับการวิเคราะห์โครงสร้างของวัสดุแอคทีฟแคโทด NMR แบบโซลิดสเตตสามารถตรวจวัดลิเธียมภายในโครงสร้างผลึกของตัวอย่างทั้งหมด และเสริมวิธีการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ นอกจากนี้ NMR ยังสนับสนุนการวัดปริมาณการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเชิงลึกที่สังเกตได้ในการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (TEM)
ในสเปกตรัมลิเธียมของวัสดุแอคทีฟแคโทด การขยายตัวที่เป็นลักษณะเฉพาะมากกว่าหลายพัน ppm เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิสัมพันธ์พาราแมกเนติกระหว่างโลหะทรานซิชัน (TM) และลิเธียม
หัววัดการหมุนมุมมหัศจรรย์แบบโซลิดสเตต (MAS) ที่ใช้กันทั่วไปซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3.2 มม. หรือ 4 มม. มักจะให้สเปกตรัมที่ถูกทำลายโดยแถบข้างการหมุน (SSB) ที่เกิดจากช่วงการกระตุ้นที่จำกัดและการหมุนตัวอย่างที่ค่อนข้างช้า
อย่างไรก็ตาม การใช้หัววัด MAS ความเร็วสูงพิเศษที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. หรือเล็กกว่า จะทำให้ SSB เคลื่อนออกจากจุดสูงสุดหลัก ส่งผลให้ได้สเปกตรัมที่ชัดเจนยิ่งขึ้น (รูปที่ 1)
ยิ่งไปกว่านั้น การผสมผสานนี้กับเทคนิค MATPASS ที่พัฒนาขึ้นใหม่ล่าสุด ช่วยให้สามารถรับ 7สเปกตรัมของลิเธียมที่ปราศจาก SSB (รูปที่ 2)
รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างของ 7สเปกตรัม Li MATPASS ที่ได้จากการชาร์จและการคายประจุของวัสดุแอคทีฟแคโทดแบบชั้นที่มีลิเธียมสูง Li1.2Ni0.2Mn0.6O2
พบจุดสูงสุดหลักสี่จุดในสถานะไม่มีประจุ (#1) การเปลี่ยนแปลงทางเคมีจาก 0 ถึง 1000 ppm สอดคล้องกับลิเธียมในชั้นลิเธียม ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงจาก 1000 ถึง 2000 ppm สอดคล้องกับลิเธียมในชั้นโลหะทรานซิชัน (LiTM)
นอกจากนี้ ตำแหน่งพีคยังแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับว่าโลหะทรานสิชั่นใกล้กับลิเธียมเป็น "Mn เท่านั้น" หรือถูกแทนที่บางส่วนด้วย Ni
สัญญาณที่เกี่ยวข้องกับลิเธียมจะลดลงในระหว่างการชาร์จ (#2 ถึง #5) เนื่องจากลิเธียมถูกดึงออกจากโครงสร้าง จากนั้นจึงฟื้นคืนเมื่อคายประจุ (#7) เมื่อลิเธียมรวมตัวอีกครั้ง
NMR แบบโซลิดสเตตจึงช่วยให้สามารถสังเกตการเคลื่อนที่ออกระหว่างการชาร์จและการกลับมาของลิเธียมระหว่างการคายประจุได้โดยใช้การเปลี่ยนแปลงสเปกตรัม ทำให้สามารถวิเคราะห์พฤติกรรมของลิเธียมที่เกี่ยวข้องกับการเสื่อมสภาพของโครงสร้างได้
1 รูป: 7สเปกตรัม NMR แบบโซลิดสเตตของ Li ของการพึ่งพาความถี่ MAS
2 รูป: 7สเปกตรัม Li MATPASS สะท้อนลิเธียมในโครงสร้างวัสดุแอคทีฟแคโทดในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ
อ้างถึง : รายงานทางวิทยาศาสตร์ (2020) 10 : 10048
ขั้วบวก
วัสดุขั้วบวก
วัสดุแอโนดที่ใช้งานได้ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้
แอโนดทั่วไปของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยตัวเก็บกระแส วัสดุแอคทีฟของแอโนด สารเติมแต่งตัวนำไฟฟ้า และสารยึดเกาะ แผ่นทองแดงถูกใช้เป็นตัวเก็บกระแส เช่นเดียวกับแคโทด สารละลายที่ประกอบด้วยวัสดุแอคทีฟของแอโนด สารเติมแต่งตัวนำไฟฟ้า และสารยึดเกาะที่ละลายในตัวทำละลายจะถูกนำไปทาลงบนตัวเก็บกระแส
สารละลายที่เป็นวัสดุต่างๆ ที่ถูกนวดด้วยสารละลาย
ตัวเก็บกระแสแบบขั้วบวกพร้อมสารละลายที่ใช้กับแผ่นทองแดง
ภาพ SEM ของหน้าตัดขั้วบวกของกราไฟต์
แผนผังของกราไฟท์ที่มีลิเธียมไอออนแทรกอยู่
โดยทั่วไป กราไฟต์ใช้เป็นวัสดุออกฤทธิ์สำหรับขั้วบวก ในระหว่างการชาร์จ ลิเธียมไอออนจากขั้วลบจะแทรกซึมเข้าไปในโครงสร้างแบบชั้นของกราไฟต์ ความจุตามทฤษฎีของกราไฟต์อยู่ที่ 372 mAh/กรัม แม้ว่าจะไม่สูงเท่ากับความจุของลิเธียมเมทัล (3,860 mAh/กรัม) แต่กราไฟต์แอโนดก็เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือสูง
ในทางกลับกัน ซิลิคอนแอโนดซึ่งมีความจุทางทฤษฎีสูงถึง 4,200 mAh/g กำลังอยู่ระหว่างการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซิลิคอนกำลังได้รับความสนใจในฐานะทางเลือกที่มีศักยภาพแทนแอโนดคาร์บอน เนื่องจากมีความจุสูงและหาได้ง่าย แม้จะมีความท้าทาย เช่น การเปลี่ยนแปลงปริมาตรจำนวนมากในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ซึ่งส่งผลต่ออายุการใช้งาน แต่ซิลิคอนก็ยังถือเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มดีสำหรับการนำไปใช้ในแบตเตอรี่โซลิดสเตต
ฟอยล์เก็บกระแสสำหรับขั้วบวก
เช่นเดียวกับตัวเก็บกระแสแคโทด แผ่นทองแดงที่ใช้ทำแอโนดมีความต้านทานต่อทั้งสารละลายอิเล็กโทรไลต์และการเกิดออกซิเดชัน ทำให้เป็นวัสดุที่ทนทานต่อการกัดกร่อน ศักย์ไฟฟ้าของแอโนดที่มีกราไฟต์เป็นวัสดุออกฤทธิ์โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 1.5 โวลต์ เมื่อเทียบกับลิเธียม+/หลี่.
แม้ว่าแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์จะมีน้ำหนักเบากว่าและราคาถูกกว่า แต่ก็สามารถสร้างโลหะผสม Li-Al ที่ประมาณ 0.6 V เมื่อเทียบกับ Li+/Li เมื่อใช้ในขั้วบวก ซึ่งส่งผลให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลง ดังนั้น จึงใช้แผ่นทองแดงที่มีคุณสมบัติต้านทานอิเล็กโทรไลต์และออกซิเดชันได้ดี และมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ สำหรับตัวเก็บกระแสแบบขั้วบวก
สารละลายอิเล็กโทรไลต์
สารละลายอิเล็กโทรไลต์
สารละลายอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
LIB ขยายตัวโดยก๊าซที่เกิดขึ้นจากการสลายตัวของสารละลายอิเล็กโทรไลต์
สารละลายอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีบทบาทสำคัญในการขนส่งไอออนลิเธียม สารละลายอิเล็กโทรไลต์นี้ประกอบด้วยสารประกอบไอออนิกที่ละลายในตัวทำละลายที่มีขั้ว เช่น น้ำ
ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยส่วนผสมของตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น เอทิลีนคาร์บอเนต (EC) ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) และไดเอทิลคาร์บอเนต (DEC) ซึ่งทำให้แบตเตอรี่ทำงานที่ศักย์สูงได้โดยไม่เกิดการสลายตัวแบบออกซิเดชัน
อย่างไรก็ตาม ตัวทำละลายอินทรีย์มีแนวโน้มที่จะสลายตัวเนื่องจากรอบการชาร์จ/การปล่อยประจุซ้ำๆ การปล่อยประจุมากเกินไป หรือการชาร์จมากเกินไป ซึ่งนำไปสู่ประสิทธิภาพการทำงานของอิเล็กโทรไลต์ที่ลดลง
แม้ว่าอิเล็กโทรไลต์ที่มีตัวทำละลายอินทรีย์จะมีความทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าอิเล็กโทรไลต์ในน้ำ แต่ก็ติดไฟได้และถูกจัดเป็นวัตถุอันตราย (ของเหลวไวไฟ) ตามข้อบังคับด้านความปลอดภัยจากอัคคีภัย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หากเกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในเนื่องจากการชาร์จไฟเกิน การจ่ายไฟเกิน หรือไฟฟ้าช็อตจากภายนอก กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่สามารถไหลได้ทันที ทำให้เกิดความร้อนและอาจทำให้อิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ลุกไหม้ได้
ภายใต้สภาวะที่มีประจุเกิน วัสดุแคโทดจะเสื่อมสภาพ และออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจะออกซิไดซ์และสลายอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดก๊าซ ในสภาวะที่มีประจุเกิน ฟอยล์ทองแดงที่ใช้ในแอโนดอาจละลาย ส่งผลให้เกิดการชะล้างทองแดงและการสลายตัวแบบรีดักชันของอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งก่อให้เกิดก๊าซจำนวนมากเช่นกัน
อิเล็กโทรไลต์เป็นวัสดุสำคัญต่อทั้งอายุการใช้งานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ ดังนั้นจึงมีการวิจัยและพัฒนาเพื่อผลิตอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟและมีเสถียรภาพที่แรงดันไฟฟ้าสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การประเมินเสถียรภาพทางเคมี ความทนต่อแรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรด และพฤติกรรมการสลายตัวระหว่างรอบการชาร์จ/การคายประจุกำลังมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้น การประเมินความเสื่อมของอิเล็กโทรไลต์มักทำผ่านการวิเคราะห์ก๊าซที่ระเหยออกมา
ตัวอย่างการวิเคราะห์สารละลายอิเล็กโทรไลต์
การวิเคราะห์การสลายตัวของสารละลายอิเล็กโทรไลต์โดยใช้การวิเคราะห์โครงสร้างด้วย AI (MS: Mass Spectrometry)
กรณีศึกษา: การวิเคราะห์การสลายตัวของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ใน LIB
กรณีศึกษานี้วิเคราะห์การเสื่อมสภาพของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) หลังจากผ่านกระบวนการชาร์จและคายประจุ สารละลายอิเล็กโทรไลต์ถูกสกัดจากแบตเตอรี่ที่แยกชิ้นส่วนแล้วโดยใช้อะซิโตน และวิเคราะห์โดยใช้เครื่องแก๊สโครมาโทกราฟประสิทธิภาพสูงแบบ Time-of-Flight Mass Spectrometer (GC-TOF-MS)
การวัดดำเนินการโดยใช้ทั้งวิธีการไอออไนเซชันแบบแข็ง (EI: Electron Ionization) และแบบอ่อน (CI: Chemical Ionization) ส่วนประกอบหลักที่ตรวจพบ ได้แก่ ตัวทำละลายสกัด (อะซิโตน) ตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์ และตัวอิเล็กโทรไลต์เอง นอกจากนี้ ยังพบผลิตภัณฑ์จากการสลายของอิเล็กโทรไลต์และสารละลายอิเล็กโทรไลต์ในปริมาณเล็กน้อย
ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวที่มีเวลาคงอยู่ 11.5 นาทีบนโครมาโทแกรมกระแสไอออนรวม (TICC) ได้รับการวิเคราะห์ โดยทั่วไปการระบุสารประกอบจำเป็นต้องค้นหาในห้องสมุดโดยใช้ฐานข้อมูลมวลสเปกตรัม ในขณะที่ฐานข้อมูลทั่วไปมีสารประกอบประมาณ 300,000 รายการ msFineAnalysis AI ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์วิเคราะห์โครงสร้างสารที่ไม่รู้จักของเราที่ใช้ AI สามารถค้นหาฐานข้อมูลที่มีสารประกอบประมาณ 100 ล้านรายการ
ยิ่งไปกว่านั้น ข้อมูลน้ำหนักโมเลกุลและสูตรองค์ประกอบที่ได้จากวิธี CI สามารถนำไปใช้เพื่อปรับแต่งผลการค้นหา ซึ่งช่วยให้สามารถระบุสารประกอบได้แม่นยำยิ่งขึ้น ในการวิเคราะห์นี้ โดยใช้การวิเคราะห์โครงสร้างด้วย AI สารประกอบ
C2H6FO3P (ฟลูออโร(เมทอกซี)ฟอสโฟรีลออกซีมีเทน) ได้รับการระบุจากโครงสร้างตัวเลือกมากกว่า 800 โครงสร้างในสเปกตรัมมวล
รายการวิเคราะห์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) และเครื่องมือ JEOL ที่เกี่ยวข้อง
ตารางด้านล่างนี้แสดงเครื่องมือของ JEOL ที่จัดประเภทตามวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์และการประเมิน สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้งาน โปรดดูแคตตาล็อกและเอกสารทางเทคนิคของเครื่องมือแต่ละชนิด หรือติดต่อ JEOL
ความสำคัญของการถ่ายโอนการแยกอากาศในการวิเคราะห์แบตเตอรี่
วัสดุที่ใช้ในแบตเตอรี่ประกอบด้วยลิเธียมที่มีปฏิกิริยาสูง ซึ่งมีความเสี่ยงที่จะเปลี่ยนแปลงเมื่อสัมผัสกับอากาศ ดังนั้น การผลิตจึงจำเป็นต้องมีสภาพแวดล้อมที่แยกอากาศ เช่น ห้องแห้ง และการวิเคราะห์วัสดุ ซึ่งรวมถึงการเตรียมตัวอย่าง การสังเกต และการวิเคราะห์ จะต้องดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่แยกอากาศด้วยเช่นกัน เครื่องมือและระบบที่แยกอากาศซึ่งมีอุปกรณ์วิเคราะห์หลายตัวรวมกัน มีประสิทธิภาพในการวิเคราะห์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
กลุ่มผลิตภัณฑ์เครื่องมือของ JEOL ประกอบไปด้วยระบบที่ทำให้สามารถประมวลผล สังเกตการณ์ และวิเคราะห์ภายในสภาพแวดล้อมที่แยกตัวจากอากาศ
คลิกปุ่มด้านล่างเพื่อกลับไปที่ Battery TOP