Evaluating Electrochemical Activity and Electric Potential inside Cathodes in All-Solid-State Lithium-Ion Batteries

Význam tématu

S rostoucí poptávkou po obnovitelných zdrojích energie a aplikacích elektromobilů roste význam vysokokapacitních a bezpečných baterií. Celosolidní lithiové baterie (ASSLiB) slibují vyšší energetickou hustotu, delší životnost a lepší bezpečnost než konvenční konstrukce. Klíčovou překážkou jejich širšího nasazení je však pokles výkonu po cyklech nabíjení a vybíjení, spojený s degradací vodivosti aktivních materiálů a rozhraní elektroda–elektrolyt.

Cíle a přehled studie

Cílem prezentované studie bylo prokázat schopnost rastrovacího sondového mikroskopu (SPM/AFM) značky SPM-Nanoa v inertní atmosféře detekovat a vizualizovat:

• lokální cesty elektronové vodivosti uvnitř katody ASSLiB během provozu
• změny povrchového elektrického potenciálu na rozhraních materiálů před a po cyklech nabíjení a vybíjení

Výsledky měly přinést podklady pro optimalizaci složení elektrody a výrobního procesu.

Použitá metodika

Pro analýzu byl připraven průřez bateriové kazety sestávající z katody (LiCoPO4 + LAGP + acetylénový černý provod), solidního elektrolytu Li1,5Al0,5Ge1,5(PO4)3 (NASICON typ) a anody (TiO2 + LAGP + AB). Povrch řezu byl upraven iontovým frézováním a vzorek zalit epoxidovou pryskyřicí. Všechny operace včetně nabíjecích testů probíhaly v argonové glove boxu s <0,8 ppm O2 a rosného bodu −80 °C.

Použitá instrumentace

• SPM-Nanoa scanning probe microscope se skenery XY (do 125 µm) a Z (do 7 µm)
• Provozní režimy: proudový (current mode) a KPFM (měření povrchového potenciálu)
• Glove box s cirkulací a čištěním argonu (O2 ≤ 0,8 ppm, dew point ≤ −80 °C)

Hlavní výsledky a diskuse

• Působnost vodivého činitele: proudové mapy před a po cyklech ukázaly, že oblasti s vysokým proudem („červené“) odpovídají shlukům vodivého činitele, zatímco aktivní materiál a elektrolyt vykazují nízkou vodivost („modré“). Rozložení se po cyklech významně nezměnilo, nicméně původní nerovnoměrnost naznačuje potenciál pro zlepšení distribuce vodivého činitele.
• Potenciál na povrchu: KPFM měření odhalilo nárůst průměrného povrchového potenciálu z 0,75 V (před cyklem) na 2,98 V (po cyklu). Místo očekávané nulové hodnoty po vybíjení zůstala v materiálu reziduální náboj, což signalizuje sníženou iontovou vodivost nebo degradované rozhraní aktivního materiálu a elektrolytu.

Přínosy a praktické využití metody

Použití SPM-Nanoa v inertní atmosféře umožňuje:

• přímou vizualizaci elektronových tras a identifikaci slabých míst v elektroditě
• kvantifikaci změn povrchového potenciálu souvisejících s degradací
• rychlou zpětnou vazbu pro vývoj složení a výrobních postupů ASSLiB

Budoucí trendy a možnosti využití

• integrovaná in situ měření během cyklování baterie pro časové sledování degradace
• kombinace SPM s dalšími metodami (např. SEM, XPS) pro komplexní charakterizaci rozhraní
• využití strojového učení pro automatizovanou analýzu map vodivosti a potenciálu

Závěr

Studie demonstrovala, že SPM-Nanoa v inertní atmosféře dokáže spolehlivě zobrazit a měřit klíčové elektrochemické jevy uvnitř katod ASSLiB. Naměřené mapy proudové vodivosti a povrchového potenciálu poskytují cenné informace pro zlepšení distribuce vodivého činitele a optimalizaci rozhraní elektroda–elektrolyt. Tyto poznatky přispějí k vývoji spolehlivějších a výkonnějších celosolidních lithiových baterií.

Reference

• E. Iida, A. Kogure, T. Miyamoto, H. Nakajima, H. Mukohara, N. Morimoto, R. Yamasaki, H. Yamada, C. J. Macey, AFM Evaluation of Different-Sized Active Materials and Interface of All-Solid-State Lithium-Ion Batteries, M&M2023, Minneapolis, MN, USA, July 23–27, 2023.