Kriyo elektron mikroskobu teknolojisi, lityum pil SEI filminin pil performansı üzerindeki etkisini ortaya koyuyor
Joule'nin yeni yayınlanan yeni sayısında, Profesör Cui'nin araştırma grubu bir kez daha lityum pil SEI filmi üzerinde derinlemesine araştırma yapmak için kriyo-elektron mikroskopi teknolojisini kullandı ve SEI filminin pil performansını nasıl etkilediğini ortaya çıkardı.
Genel olarak, lityum iyon pillerin şarj ve deşarj işlemi sırasında elektrot malzemesi ve elektrolit, elektrot malzemesinin yüzeyini kaplayan nano düzeyde bir "katı elektrolit arabirimi" (katı elektrolit arabirimi) oluşturmak için katı-sıvı arabiriminde reaksiyona girer. SEI filmi. SEI filminin oluşumu, döngü ömrü, güvenlik, şarj ve deşarj hızı dahil olmak üzere elektrot malzemelerinin performansı üzerinde hayati bir etkiye sahiptir ... SEI filmin oluşum mekanizması, kompozisyon yapısı, stabilitesi ve etkileyen faktörlerinin derinlemesine incelenmesi ve daha fazla araştırma SEI membranların performansını iyileştirmenin etkili yolları, dünya elektrokimya endüstrisinde her zaman önemli bir nokta olmuştur.
Şimdiye kadar, tanınan SEI yapısı sırasıyla Peled ve Aurbach tarafından önerilen mozaik yapı [1,2] ve katmanlı yapı [3] olarak ikiye ayrılmıştır. SEI film kalınlığı genel olarak nanometre seviyesinde olduğundan yapısını derinlemesine anlamak için elektron mikroskobu gibi karakterizasyon yöntemlerine sıklıkla ihtiyaç duyulur. Bununla birlikte, SEI filmi elektron ışınlarına karşı çok hassastır ve geleneksel transmisyon elektron mikroskobu altında orijinal kimyasal durumu korumak zordur ve nanometre ölçeğinde yerinde gözlem yapmak imkansızdır.
Bunun ışığında, Stanford Üniversitesi'nden Profesör Yi Cui'nin araştırma grubu, kriyo-elektron mikroskobu teknolojisine dayalı olarak 2017 yılında ilk kez pil malzemeleri ve SEI filminin atomik yapısının gerçek gözlemini gerçekleştirdi. Yazar, bu makalede, karbonat (EC / DEC) elektrolitine flor içeren katkı maddelerinin (FEC) eklenmesinin, lityum metal pillerin döngü verimliliğini önemli ölçüde artırmakla kalmayıp, aynı zamanda SEI yapısını bir mozaik yapıdan katmanlı bir yapıya değiştirdiğini bulmuştur. Öyleyse, bu yapısal dönüşüm ile metal lityum pil döngüsü verimliliğinin iyileştirilmesi arasındaki doğal bağlantı nedir? Joule'nin makalesinin bu yeni sayısında, Profesör Cui'nin araştırma grubu sırrı açıkladı.
Şekil 1: Metalik lityumun biriktirilmesi ve ekstraksiyonu sırasında morfolojinin mozaik yapı ve katmanlı yapı SEI ile karşılaştırılması
Şekil 2: Metalik lityumun SEI mozaik yapısıyla eşit olmayan şekilde dağılması
Şekil 3: Katmanlı yapı SEI ile metalik lityumun homojen sıvı oluşumu
Şekil 4: SEI'deki lityum atomlarının nano yapılarla iletimini simüle etmek için COMSOL'u kullanma
Kriyo-elektron mikroskobu teknolojisine dayanan araştırmacılar, metalik lityumun, delithiation işlemi sırasında farklı yapılara sahip SEI filmlerle morfolojik değişikliklerini doğruladılar.
SEI mozaik yapısına sahip metal lityumun tekdüze bir şekilde dağılmadığını ve bunun, genellikle "ölü lityum" olarak bilinen ve pil döngüsü verimliliğinde bir azalmaya yol açan elektrotla teması kaybeden büyük miktarda metal lityumla sonuçlandığını buldular. Bunun tersine, katmanlı SEI yapısına sahip metal lityum homojen bir şekilde sulanır ve artık "ölü lityum" daha azdır, bu nedenle döngü verimliliği de daha yüksektir.
Ayrıca inorganik nanopartiküllerin (Li2O, Li2CO3, vb.) SEI'deki dağılımını analiz ettikten sonra, bu fenomenin nedeninin SEI mozaik yapısındaki inorganik nanopartiküllerin yoğunluğunun düzensiz olması ve inorganik nanopartiküllerin içeriğinin yüksek olması olduğunu buldular. Bölgesel lityum iyon iletim hızı hızlıdır ve lityum uzaklaştırma hızı yüksektir Buradaki metal lityum sıyrıldığında, kalan metal lityum elektrotla yolu koruyamaz ve ölü lityum olur. Katmanlı SEI yapısında, inorganik nanopartiküllerin yoğunluğu nispeten tekdüzedir ve lityum iyonu iletkenliği her yerde eşdeğerdir, böylece lityum üniform bir şekilde çıkarılabilir. Makalenin sonunda yazarlar, COMSOL'u farklı lityum iyon iletkenliğine sahip SEI'lerin ıslanma davranışını simüle etmek için kullandılar ve bu da teorilerini daha da destekledi.
Bu araştırma, bataryanın döngü verimliliğini SEI'nin nanoyapı perspektifinden inceleyen ve açıklayan ilk araştırmadır ve gelecekte lityum metal elektrotların tasarımı ve elektrolitlerin seçimi için yeni fikirler sağlar. Daha da önemlisi, bu makale kriyo-elektron mikroskobu teknolojisinin malzeme bilimi alanında büyük bir etkiye sahip olacağını bir kez daha kanıtlıyor!
Referanslar
1. Peled, E. (1979) Susuz pil sistemlerinde alkali ve toprak alkali metallerin elektrokimyasal davranışı - katı elektrolit fazlar arası model J. Electrochem. Soc. 126, 20472051.
2. Peled, E., Golodnitsky, D. ve Ardel, G. (1997) Sıvı ve polimer elektrolitlerde katı elektrolit fazlar arası elektrotlar için gelişmiş model J. Electrochem. Soc. 144, L208 L210.
3. Aurbach, D., Ein-Ely, Y., ve Zaban, A. (1994) Alkil karbonat çözeltilerinde lityum elektrotların yüzey kimyası J. Electrochem. Soc. 141, L1-L3.
