Zhang Kai, Associate Researcher of Beijing Synchrotron Radiation Facility, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, dan lainnya telah bekerja sama dengan kelompok penelitian dalam dan luar negeri untuk menggunakan teknologi pencitraan multi-skala radiasi synchrotron untuk membuat kemajuan dalam studi kuantitatif mekanisme degradasi interaksi kimia-mekanis dari baterai lithium-ion , Hasil penelitiannya baru-baru ini dipublikasikan di majalah "Advanced Energy Materials".
Dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, semua lapisan masyarakat memiliki kebutuhan energi yang semakin mendesak. Pada saat yang bersamaan, masyarakat juga menghadapi krisis energi dan permasalahan lingkungan akibat energi tradisional. Oleh karena itu, orang-orang terus mencari bahan energi baru yang tidak mahal, ramah lingkungan, performa terbaik dan aman. Di antara mereka, perangkat penyimpanan energi efisiensi tinggi yang diwakili oleh baterai lithium telah menjadi salah satu arah penting dari penelitian energi baru. Sebagai sistem heterogen multi-skala komposit yang khas, meskipun migrasi ion dasar dari sistem baterai lithium-ion terjadi pada skala atom, indikator kinerja perangkat yang paling penting, seperti kepadatan energi, kemampuan pengisian / pengosongan kecepatan tinggi, dan umur material, bergantung pada beberapa Efek gabungan dari skala yang berbeda. Oleh karena itu, bagaimana mewujudkan metode pencitraan multi-skala untuk mempelajari struktur morfologi tiga dimensi dan informasi kesetaraan kristal dari elektroda komposit dalam rentang skala mikro, mesoskopik hingga makro, untuk memahami migrasi ion dan muatan dalam perangkat untuk mengembangkan efisiensi tinggi dan stabilitas tinggi Bahan baterai sangat penting.
Dalam beberapa tahun terakhir, berkat penggunaan teknologi sumber radiasi synchrotron dan pengembangan teori pencitraan serta manufaktur komponen optik dan teknologi pemrosesan, teknologi pencitraan mikroskopis sinar-X synchrotron dapat mencapai pencitraan struktur multi-skala, tiga dimensi, non-destruktif dari nanometer hingga resolusi mikrometer. Selain itu, teknologi pencitraan spektroskopi sinar-X radiasi synchrotron yang dibentuk oleh kombinasi teknologi ini dan teknologi spektroskopi serapan tepi dekat dapat secara non-destruktif merekonstruksi morfologi tiga dimensi, distribusi elemen, dan ketidakhomogenan keadaan valensi bahan elektroda dalam baterai litium dalam lingkungan in-situ. informasi. Hal ini membuat teknologi pencitraan mikroskopis sinar-X sinkrotron menjadi metode yang paling langsung dan efektif untuk mempelajari korelasi antara topografi tiga dimensi multi-skala dan kinerja bahan elektroda komposit, dan membuka jendela baru untuk memahami dunia mikroskopis bahan elektroda.
Zhang Kai dan rekan-rekannya di dalam dan luar negeri telah menggunakan teknologi pencitraan radiasi sinkrotron untuk menganalisis secara kuantitatif interaksi kimia-mekanis antara bahan baterai lithium mesoscale (partikel sekunder) dan makroskop (level elektroda), dan hasil penelitian terkait telah dipublikasikan baru-baru ini. Dalam majalah Bahan Energi Lanjut (Adv. Energy Mater. 2019, 1900674). Yang Yang (Sumber Radiasi Synchrotron Eropa), Xu Rong (Purdue University), Zhang Kai (Beijing Synchrotron Radiation Source) adalah co-first penulis makalah ini, Zhao Kejie (Purdue University), Lin Feng (Virginia Institute of Technology) dan Liu Yijin (Stanford Synchronous Sumber radiasi) adalah penulis makalah yang sesuai.
Mereka pertama kali mempelajari partikel sekunder LiNi1-x-yMnxCoyO2 (NMC) yang kaya nikel dengan diameter 10 mikron menggunakan teknologi pencitraan spektroskopi resolusi nano (30 nm), dan menemukan bahwa partikel baterai lithium akan menghasilkan sejumlah besar retakan selama proses pengisian dan pengosongan, termasuk Retakan awal dan retakan dewasa ditunjukkan oleh panah hijau dan merah pada Gambar 1 (i). Pencitraan spektroskopi sinar-X lebih lanjut menemukan bahwa permukaan retak yang matang menunjukkan tingkat oksidasi yang lebih tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (j). Hal ini disebabkan oleh penetrasi elektrolit cair dan pengendapan ion litium pada antarmuka padat-cair yang baru. Namun, karena kurangnya infiltrasi elektrolit cair pada retakan awal, valensi oksidasi nikel di daerah ini tidak berubah secara signifikan dibandingkan dengan daerah curah lainnya dari partikel baterai, seperti yang ditunjukkan pada diagram distribusi energi tepi-k Ni pada Gambar 1 (k) Menunjukkan.
Atas dasar ini, untuk mempelajari dampak perkembangan retakan internal pada partikel baterai terhadap kinerja baterai lithium, para peneliti menggunakan teknologi pencitraan kontras fase sinar-X untuk melakukan interaksi kimia-mekanis dari ribuan partikel baterai di seluruh bahan elektroda. Penelitian eksperimen pencitraan secara sistematis menganalisis ketidakseimbangan konduktivitas lokal dan konduktivitas ionik yang tercermin dari kerusakan partikel baterai yang tidak seragam pada skala mesoskopik dan makroskopik. Studi tersebut menemukan bahwa dalam kondisi pengisian cepat, seluruh permukaan elektroda telah mengalami rekonstruksi yang signifikan (Gambar 2c.d), dan bagian atas elektroda (dekat diafragma) telah mengalami transisi fase lokal yang lebih parah, berubah dari struktur berlapis menjadi spinel dan Dalam campuran struktur garam batuan, struktur morfologi tiga dimensi dari sebagian besar partikel baterai telah rusak parah; sedangkan struktur morfologi tiga dimensi dari partikel di bagian bawah lembaran elektroda relatif lebih baik dipertahankan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2d.f. Hasil pengamatan di atas menunjukkan bahwa ada ketidakrataan reaksi pada skala elektroda, dan ketidakrataan ini sangat terlihat baik pada arah kedalaman maupun arah lateral.
Karya ini memberikan informasi penting bagi peneliti untuk memahami mekanisme degradasi kinerja bahan katoda baterai lithium, yang pada gilirannya dapat membantu manusia membangun interkoneksi antara sifat makroskopik bahan baterai dan struktur bahan mikroskopis. Informasi ini tidak hanya membantu ilmuwan material lebih meningkatkan sifat material baterai dari perspektif aplikasi, tetapi juga memiliki nilai penting untuk penelitian ilmiah dasar tentang mekanisme kegagalan material baterai. Teknologi pencitraan multi-skala yang digunakan dalam penelitian memiliki makna referensi penting untuk banyak bidang subjek penelitian perbatasan yang dilakukan oleh perangkat ilmiah besar.
Gambar 1 Distribusi cacat struktural partikel baterai NMC622 pada skala nanometer. (h) Informasi distribusi struktur dari partikel baterai NMC622 tunggal pada posisi kesalahan yang berbeda (arah ZX) yang diperoleh dengan pencitraan spektroskopi resolusi nano sinar-X (i) Gambar bagian baterai NMC622 (arah YX), panah merah menunjukkan retakan yang matang , Panah hijau menunjukkan retakan awal. (J) adalah citra distribusi energi tepi-K Ni pada citra tomografi (i) baterai NMC622 (k) adalah distribusi energi tepi-K Ni dekat retakan matang.
Gambar 2 Perbandingan irisan kesalahan atas dan bawah bahan elektroda NMC622 setelah 10 pengisian dan pengosongan cepat (laju pengisian 5C). (A) Gambar tomografi bagian atas bahan elektroda NMC622. (c) Gambar irisan bagian atas bahan elektroda NMC622 setelah gambar segmentasi. (b) Gambar tomografi bagian bawah bahan elektroda NMC622. (d) Gambar potongan tomografi bagian bawah dari bahan elektroda NMC622 diiris setelah gambar segmentasi. (e) (f) Hasil uji spektrum absorpsi sinar-X lembut diperoleh dengan menggunakan mode TEY dan TFY untuk klasifikasi bahan elektroda NMC622 bagian bawah (kurva biru) dan atas (kurva merah).
Sumber: Institut Fisika Energi Tinggi, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok
Tips: Baru-baru ini, aliran informasi akun resmi WeChat telah direvisi. Setiap pengguna dapat mengatur nomor langganan membaca yang sering, yang akan ditampilkan dalam bentuk kartu besar. Oleh karena itu, jika Anda tidak ingin ketinggalan artikel "Voice of Chinese Academy of Sciences", Anda harus melakukan hal berikut: Masuk ke akun publik "Voice of Chinese Academy of Sciences" klik menu di pojok kanan atas pilih "Set as Star"
- Makanan musim panas yang paling bebas masalah, dapat disajikan di atas meja setelah dikukus, kelezatannya tidak membuat api
- Para ilmuwan telah menemukan bahan superkonduktor topologi potensial berlapis fase 2M tungsten sulfida
- Guangtong World Sprint Technology Innovation Board: Investasi R&D menyumbang pengurangan yang signifikan, 800 juta proyek penggalangan dana belum memperoleh hak guna lahan
- Kontrol penggurunan, ilmuwan Tiongkok telah bekerja kerasHari Perang Dunia untuk Memerangi Penggurunan dan Kekeringan
- Komentar online Beijing-Tianjin-Hebei memandu kunjungan offline dan wawancara untuk memahami pengalaman dan praktik renovasi kota tua Beijing
- Perubahan baru dalam peringkat daya saing kota! Lihat dengan cepat apakah kota Anda ada dalam daftar