Guide to Lithium-ion Battery Solutions

Význam tématu

Odolnost, bezpečnost a výkon lithium-iontových baterií silně závisí na vlastnostech použitých materiálů i jejich vzájemných interakcích. Systematické vyhodnocení mechanických, termálních, chemických i strukturálních parametrů umožňuje optimalizaci výroby, včasnou detekci vady a zvýšení celkové životnosti a spolehlivosti baterie.

Cíle a přehled studie / článku

Článek představuje komplexní přehled metodik používaných při hodnocení komponent lithium-iontových baterií. Mapuje testy mechanické odolnosti elektrod a separátorů, termální analýzu stability, chemickou charakterizaci elektrolytu a plynů, i nedestruktivní i mikroskopické zobrazovací techniky pro sledování vnitřní struktury a mikroanalýzu. Hlavním cílem je ukázat přínosy jednotlivých přístupů pro výzkum, vývoj a kontrolu kvality.

Použitá metodika a instrumentace

• testy stlačení a tahové zkoušky separátorů a elektrod (Micro Compression Tester MCT, AUTOGRAPH AGX-V)
• dynamická mechanická analýza a termální stabilita (DSC-60 Plus, TGA-50, TMA-60)
• infračervená spektroskopie ve vakuu (FTIR IRSpirit)
• chromatografie kapalin a plynů s hmotnostní detekcí (IC HIC-ESP, GCMS-QP2020 NX, GC-2030 BID)
• rentgenová tomografie (inspeXio SMX-225CT)
• elektronová mikrosonda pro elementární a chemické mapování (EPMA-8050G)
• atomovosilová mikroskopie a měření povrchové vodivosti (SPM-Nanoa)
• analýza velikosti částic a disperze (SALD-2300, DIA-10)

Hlavní výsledky a diskuse

• Mechanické testy odhalily rozdíly v pevnosti aktivních materiálů (LiCoO2 vs. LiMn2O4) i separátorů při různých teplotách, přičemž DIC analýza ukázala místa koncentrace napětí.
• Termální analýza DSC a TGA identifikovala teploty tání separátorů, exo-/endotermické děje elektrody i úbytek vlhkosti pro predikci bezpečnostních limitů.
• FTIR ve inertní atmosféře prokázala solvátové interakce elektrolytu, zatímco IC a GC-MS mapovaly rozkladné produkty a složení solutu ve stárnutých vzorcích.
• X-Ray CT umožnila nedestruktivní sledování deformací elektrody a separátoru během cyklování až do 1500 cyklů a vizualizaci explozních stavů.
• EPMA i SPM poskytly informace o mikrostruktuře, elementární distribuci, chemických vazbách a vodivostních cestách v nanometrovém rozlišení.
• SALD a DIA detekovaly agregáty i cizorodé částice v elektrodenních prášcích, klíčové pro prevenci defektů.

Přínosy a praktické využití metody

• Integrovaná sada metod umožňuje komplexní kontrolu kvality surovin a finálních článků.
• Včasné odhalení defektů i mechanických a chemických změn zvyšuje bezpečnost a životnost baterie.
• Podpora optimalizace výrobních procesů, volby surovin a složení elektrolytu.
• Možnost monitorování stavu baterie v reálném čase a zlepšení diagnostických protokolů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj in-situ a operando měření pro sledování procesů za reálných podmínek.
• Propojení AI a strojového učení pro automatizovanou analýzu a predikci selhání.
• Vyšší prostorové rozlišení mikroskopických a tomografických technik.
• Rozšíření multimodální kombinace dat z různých metod pro komplexní materiálový pohled.
• Adaptace metod pro nové typy baterií (pevné elektrolyty, Li-S, Na-ion).

Závěr

Systematická aplikace mechanických, termálních, chemických i zobrazovacích metod přináší komplexní pohled na materiály lithium-iontových baterií. Kombinace instrumentace usnadňuje odhalení slabých míst, optimalizaci designu a zvýšení bezpečnosti i životnosti, což podporuje další technologický rozvoj bateriových systémů.

Použitá instrumentace

• Micro Compression Tester MCT
• AUTOGRAPH Precision Universal Tester AGX-V
• Differential Scanning Calorimeter DSC-60 Plus
• Thermogravimetric Analyzer TGA-50
• Thermomechanical Analyzer TMA-60
• FTIR Spectrophotometer IRSpirit
• Ion Chromatograph HIC-ESP
• Gas Chromatograph Nexis GC-2030 (BID)
• GCMS-QP2020 NX
• Microfocus X-Ray CT inspeXio SMX-225CT
• Electron Probe Microanalyzer EPMA-8050G
• Scanning Probe Microscope SPM-Nanoa
• Laser Diffraction Particle Size Analyzer SALD-2300
• Dynamic Particle Image Analysis DIA-10