Analysis of electrode materials for lithium ion batteries

Význam tématu

Analýza materiálů elektrod lithium-iontových baterií je klíčová pro zlepšení jejich výkonu, životnosti a bezpečnosti. Povrchové chemické složení a struktura electrochemických mezivrstv (SEI) významně ovlivňují kapacitu a životní cyklus buněk, přičemž přesná charakterizace SEI pomáhá optimalizovat chemii elektrod a elektrolytů.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo pomocí rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) porovnat povrchové složení nepoužitých a po cyklování opotřebovaných katod NMC (Li(NixMnyCoz)O2). Důraz byl kladen na minimalizaci vzdušné expozice vzorků a zajištění reprezentativních dat pro skutečný stav povrchu po provozu.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky byly připraveny v neutrálním plynném prostředí glove boxu a přepraveny do XPS spektrometru pomocí vakuového transferního modulu (VTM), který zabránil kontaktu s atmosférickým vzduchem. Měřicí zařízení:

• Thermo Scientific Nexsa XPS System
• Vakuový transferní modul kompatibilní s K-Alpha a Nexsa
• Glove box s inertní atmosférou

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza survey spekter ukázala přítomnost polymerního vaziva na povrchu obou vzorků. U cyklované katody se navíc projevily reziduální složky elektrolytu. Kvantitativní srovnání prvků Ni, Mn, Co a Li odhalilo, že obsah lithia na povrchu cyklované vzorku klesl na přibližně 40 % původní hodnoty, což odpovídá transportu Li+ iontů směrem k anodě během nabíjení.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda XPS s inertním přenosem vzorků umožňuje detailní chemickou charakterizaci povrchových vrstev elektrod, včetně identifikace SEI a zbytků vaziva či elektrolytu. Tyto informace jsou cenné pro vývoj stabilnějších a efektivnějších bateriových materiálů a pro optimalizaci výrobních postupů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření kombinace XPS s dalšími povrchovými technikami, jako je ToF-SIMS nebo elektronová mikroskopie s chemickou analýzou, pro komplexnější charakterizaci SEI. Dále se předpokládá vývoj in situ a operando přístupů umožňujících sledovat tvorbu mezivrstvy za reálných provozních podmínek.

Závěr

Studie prokázala účinnost vakuového systému pro přenos vzorků a schopnost XPS detekovat změny chemického složení povrchu katod před a po cyklování. Rozbory potvrdily snížení lithia na povrchu po nabíjení a přítomnost zbytků vaziva a elektrolytu, což je důležité pro další vývoj bateriových materiálů.

Reference

• Nunney T. Analysis of electrode materials for lithium ion batteries. Thermo Fisher Scientific Application Note AN52615; 2018.