Rechargeable Lithium-Ion Battery Evaluation ─ APPLICATION NOTEBOOK ─

Význam tématu

Vývoj a optimalizace nabíjecích lithium-iontových baterií vyžaduje detailní znalost termických, chemických a povrchových vlastností každé komponenty – od aktivních materiálů katody a anody přes elektrolyt až po separátor a konstrukční prvky. Rychlá a spolehlivá analýza těchto vlastností je klíčová pro zvýšení bezpečnosti, životnosti a výkonu baterií i pro příbuzné technologie, jako jsou palivové články či organické polovodiče.

Cíle a přehled studie / článku

Tento Application Notebook představuje soubor ukázkových studií, ve kterých byly aplikovány různé analytické metody a přístroje k hodnocení vlastností komponent lithium-iontových baterií a souvisejících materiálů. Obsah pokrývá termální analýzu, stanovení obsahu organického uhlíku, povrchovou mikroskopii, plynovou chromatografii, MALDI-TOF hmotnostní spektrometrii a XPS povrchovou analýzu.

Použitá metodika a instrumentace

• Termální analýza: DSC-60 Plus (DSC), makro-TGA, TMA
• Stanovení TOC: TOC-LCPH analyzátor + SSM-5000A spalovací jednotka
• Povrchová mikroskopie: SPM-8100FM s elektrochemickou kyvetou
• Plynová chromatografie: Nexis GC-2030 s různými kolony (Msieve 5A, Q-BOND), Tracera (GC-2010 Plus + BID-2010 Plus), MGS-2030 vzorkovač
• MALDI-TOF MS: MALDI-8020 benchtop spektrometr
• XPS: AXIS přístroj s vysokonapěťovým Arn+ oklepem a mozaikovým zobrazováním

Hlavní výsledky a diskuse

• Thermal analysis ukázala: exo­ a endotermické reakce aktivních materiálů LiCoO2 při nabíjení, odhad obsahu vlhkosti v LiFePO4 a grafitu, termální přechody a smrštění separátorů detekované DSC a TMA.
• TOC analýza prokázala přesné stanovení obsahu uhlíku v LiCoO2 s hladinou detekce na desetiny procent.
• SPM-8100FM umožnilo in situ zobrazit na Pb elektrodě vrstvičku sulfonovaného ligninu, která brání tvorbě sulfátových krystalů.
• GC studie prokázaly, že pomalejší chlazení GC kolony minimalizuje poškození fáze a zlepšuje stabilitu základní linky i S/N, a dvojitý BID detektor Nexis GC-2030 dokáže současně analyzovat anorganické plyny a lehké uhlovodíky v rozsahu ppm.
• Tracera s BID ukázala detekci stopových CO v H2 podle ISO 14687-2 s limitem ~0,03 ppm.
• MALDI-TOF MS potvrdilo molekulové hmotnosti organických polovodičů, OLED a PV materiálů včetně makromolekul nad 1000 Da a verifikovalo isotopové rozdělení.
• XPS s argonovými klustery odhalilo rozložení Li v LiPON tenkých filmech, identifikovalo povrchové krystality lithiového perchlorátu na Cu elektrodách a kvantifikovalo chemické stavy prvků.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní charakterizace jednotlivých bateriových komponent pro vývoj bezpečnějších a výkonnějších Li-ion baterií.
• Rychlá kontrola kvality a čistoty aktivních materiálů a přísad.
• Podpora vývoje pevných elektrolytů a funkčních povrchů elektrod.
• Analýza paliv pro palivové články a sledování stopových nečistot v H2.
• Efektivní potvrzení syntézy moderních organických optoelektronických materiálů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Předpokládá se rostoucí automatizace a integrace více metod v jednom systému, rozvoj operando a in situ elektrochemických analýz v reálném čase, využití pokročilých MSI a AI pro interpretaci velkých datových sad. V plynové chromatografii poroste počet selektivních senzorů pro čisté vodíkové toky, u MALDI-TOF se rozšíří aplikace pro high-throughput screening polymerů a organických materiálů.

Závěr

Soubor ukázkových studií demonstruje synergii různých analytických technik pro komplexní hodnocení vlastností lithium-iontových baterií a příbuzných technologií. Přístupy umožňují optimalizovat materiály, zlepšit proces výroby a zvýšit bezpečnost a životnost energetických úložišť.

Reference

• K. Hirakawa a kol., Yuasa-Jiho, No. 87 (1999), s. 42–26.
• S. Obuchi et al., Yuasa Technical Report 2 (2016), s. 15–21.
• T. Watanabe et al., J. Vac. Surf. Sci. (2018).
• Y. Yamamoto, K. Yamamoto, J. Non-Cry. Solids 356 (2010), s. 14.
• A. Kozen, A. Pearse, G. Rubloff, C. F. Lin, M. Noked, Chem. Mater. 27 (2015), 5324–5331.
• ISO 14687-2:2012 Hydrogen fuel quality standard.