Guide to Lithium-ion Battery Solutions

Význam tématu

Vzestup lithium-iontových baterií jako hlavního zdroje mobilní a stacionární energie klade vysoké nároky na spolehlivost a bezpečnost každé součásti. Komplexní analýza mechanických, termálních, chemických i strukturálních vlastností materiálů a celých článků zajišťuje dlouhou životnost, optimální výkon a včasné odhalení poruchových mechanismů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem prezentovaného přehledu je demonstrovat řadu pokročilých metod pro hodnocení materiálů lithium-iontových baterií. Studie ukazuje: kompresní a tahové zkoušky elektrody i separátoru, termickou stabilitu polymerních komponent, chemickou analýzu elektrolytů a plynné produkty stárnutí, včetně nedestruktivního zobrazování vnitřní struktury pomocí rentgenové tomografie a detailní mikroanalýzu povrchů a částic.

Použitá metodika

Metodický přístup kombinuje:

• Mechanické testy: komprese, tah, propich, DIC pro vizualizaci napětí a deformací.
• Termické analýzy: DSC pro měření krystalizačních a táních teplot, TGA pro odhad obsahu vlhkosti, TMA pro posouzení smrštivosti separátoru.
• Spektroskopické a chromatografické techniky: FTIR v inertní atmosféře, IC/GC-MS pro monitoring rozkladu LiPF6 a identifikaci organických složek, GC-BID pro simultánní analýzu plynů.
• Nedestruktivní zobrazování: mikrofocus rentgenová CT pro sledování vnitřních deformací celého článku při cyklování i po explozích.
• Mikroanalýza: EPMA pro mapování elementů a chemických vazeb, SPM/AFM pro topografii a lokální vodivost, síťová analýza částic (DIA, SALD) pro detekci aglomerátů a distribuci velikosti částic.

Použitá instrumentace

• Micro Compression Tester (MCT-series)
• AUTOGRAPH Precision Universal Tester (AGX-V) s DIC
• Diferenciální skenovací kalorimetr (DSC-60 Plus)
• Termogravimetrický analyzátor (TGA-50)
• Termomechanický analyzátor (TMA-60)
• FTIR spektrometr IRSpirit
• Ionový chromatograf HIC-ESP
• GC-MS QP2020 NX, GC-BID Nexis GC-2030
• Rentgenová CT system inspeXio SMX-225CT
• Electron Probe Microanalyzer EPMA-8050G
• Scanning Probe Microscope SPM-Nanoa
• Laserová difrakce SALD-2300
• Dynamic Particle Image Analysis DIA-10

Hlavní výsledky a diskuse

• Komprese aktivních materiálů ukázala převahu LiCoO2 (72,8 MPa) nad LiMn2O4 (7,8 MPa).
• Tahové testy separátorů prokázaly odolnost při 25–90 °C s nárůstem protažení až přes 1000 % při 90 °C.
• Punč testy odhalily stabilní maximální sílu do 60 °C a pokles pevnosti při 90 °C při zachování prodloužení.
• DSC identifikovalo tání polyetylenu mezi 100–140 °C a exothermní dekompozici nabité elektrody nad 200 °C.
• TGA ukázalo obsah vlhkosti elektrody v rozsahu 0,03–0,21 %, TMA potvrdil začátek smrštivosti separátoru kolem 80–100 °C.
• FTIR v Ar a vzduchu odhalil solvační absorpce Li+ kolem 700–1000 cm−1, v Ar eliminoval vlhkostní pásy 3400–3700 cm−1.
• IC/GC-MS sledovaly rozklad LiPF6 a identifikovaly rozkladné produkty a přísady (vinylene carbonate).
• GC-BID demonstroval nárůst organických plynů při stárnutí článku, pokles vodíku a nárůst C2–C3 uhlovodíků.
• Rentgenová CT zobrazila ohyb elektrod při nabíjení, vnitřní deformace po explozích a změny po 100–1500 cyklech.
• EPMA mapování prokázalo nerovnoměrné rozložení aktivního materiálu a vazebného prostředku, EPMA spektra Mn potvrdila změnu oxidačního stavu při nabití.
• SPM ukázalo na vesměs vodivé cesty mezi částicemi a AFM síťovou mapu vodivosti, síťové měření síly v elektrolytu odhalilo rozdílnou tuhost pojiva.
• SALD a DIA rozlišily agregáty uhlíkových částic a zajišťují kontrolu kvality prášků aktivních materiálů.

Přínosy a praktické využití metody

• Efektivní vývoj a výběr materiálů s optimalizovanou mechanickou a termální stabilitou.
• Rychlá detekce šarží s nekvalitní vlhkostní nebo chemickou kontaminací.
• Nedestruktivní monitoring stárnutí a poruch pomáhá vylepšit návrh ochranných obvodů.
• Kvalitativní a kvantitativní kontrola elektrolytu zabraňuje nežádoucím plynům a riziku selhání.
• Correlativní analýza multi-modalitou poskytuje komplexní obraz stavu článku během provozu i při havárii.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se integrace in situ zobrazovacích a spektroskopických metod, využití umělé inteligence pro predikci životnosti, miniaturizace senzorů pro online monitoring v reálném čase a rozšíření testů na nové anorganické elektrolyty a pevnolátkové baterie. Kombinace dat z různých přístrojů přinese hlubší porozumění degradace během cyklování.

Závěr

Prezentovaný soubor metod pokrývá klíčové aspekty kvality a bezpečnosti lithium-iontových baterií od materiálového vývoje po testování hotových článků. Komplexní aplikace mechanických, termických, chemických a zobrazovacích metod umožňuje optimalizovat životnost, výkon a předcházet poruchám v reálných podmínkách.

Reference

• FTIR TALK LETTER, Vol. 35.
• Data poskytnutá Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences, Tohoku University.
• Data poskytnutá National Institute of Advanced Industrial Science and Technology.
• Data poskytnutá Komaba Lab, Tokyo University of Science.