Surface Potential Measurement at the Electrode- Electrolyte Interface of a Charged All-Solid-State Lithium-Ion Battery

Význam tématu

Vysokovýkonné a bezpečné akumulátory jsou klíčové pro rozvoj obnovitelných zdrojů energie a elektromobility. Mezi perspektivní technologie patří plně pevné lithné baterie (All-Solid-State Lithium-Ion Batteries, ASSLiB), které nabízejí vyšší energetickou hustotu, delší životnost a lepší bezpečnost než konvenční kapalné články. Nicméně odolnost a vodivost na rozhraní elektroda–elektrolyt zůstávají hlavními bariérami pro rychlé nabíjení a dlouhodobou stabilitu těchto článků.

Cíle a přehled studie / článku

Studie se zaměřuje na zobrazení morfologie a měření povrchového potenciálu na rozhraní elektroda–elektrolyt nabitého ASSLiB přímo v inertní atmosféře. Hlavními cíli bylo:

• Ukázat možnost in situ pozorování ASSLiB bez expozice vzduchu.
• Zmapovat topografii rozhraní po nabití článku.
• Vyhodnotit nabitý stav aktivních anodových materiálů pomocí Kelvinovy sondy (KPFM).

Použitá metodika a instrumentace

Pro měření byla využita kombinace:

• SPM-Nanoa (scanning probe microscope v módu AFM/KPFM).
• Ar-plněný flow-type glove box s H2O a O2 < 1 ppm.
• Příprava vzorku: vzorková buňka bondovaná stříbrnou pastou, vyztužená epoxidovou pryskyřicí, následně opracována iontovým frézováním.
• Parametry měření: pole zobrazení 30×30 µm a 5×5 µm, rozlišení 256×256 pixelů, zdvih XY 125 µm, Z 7 µm.

Hlavní výsledky a diskuse

Topografické snímky odhalily ve vrstvách elektroda–elektrolyt mikropóry (voids), které zvyšují odpor rozhraní a brzdí pohyb Li-iontů. KPFM měření prokázala nejednotné rozložení povrchového potenciálu na anodě ve třech sledovaných oblastech:

• Na straně sběrače proudu bylo nižší nabití (nedostatek Li⁺).
• V centrální zóně bylo optimální nabití (vyvážené přítoky Li⁺ a elektronů).
• Na straně elektrolytu bylo nižší nabití (omezená elektronová vodivost).

Tato data ukazují, že kondukční cesty pro ionty a elektrony nejsou v anodové vrstvě homogenní, což může vést k lokálnímu přetěžování nebo podvybavení materiálu.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda SPM/KPFM v inertní atmosféře umožňuje:

• Vizualizovat a kvantifikovat defekty a poruchy rozhraní na mikroskopické úrovni.
• Odhadnout nabitý stav specifických částic aktivních materiálů.
• Podpořit vývoj optimalizovaných struktur elektrody s lepšími vodivostními vlastnostmi.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další směřování výzkumu může zahrnovat:

• Komplexní 3D rekonstrukce rozhraní elektroda–elektrolyt.
• Studium dynamiky nabíjení/vybíjení při různých podmínkách.
• Integraci dalších spectroskopických módů pro chemickou analýzu rozhraní.

Závěr

In situ skenovací sondová mikroskopie v inertní atmosféře odhalila klíčové defekty a heterogenní nabití na rozhraní elektroda–elektrolyt v ASSLiB. Tyto poznatky mohou vést k cílenému vylepšení kompozice elektrody a tím i k rychlejšímu nabíjení a vyšší životnosti článků.

Reference

1. E. Iida, T. Miyamoto, A. Kogure, H. Mukohara, N. Morimoto, R. Yamasaki, H. Yamada, SPM/AFM Evaluation of Interface of All-Solid-State Lithium-Ion Batteries, IVC-22, Sep 13, 2022, Sapporo, Japan.