리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성

애플리케이션 노트

Linda Romano, Ph.D., 과학자

소개

리튬 이온 배터리는 지난 10 년 동안 휴대용 전자 기기, 통신 및 전기 자동차 (EV)와 같은 대용량 애플리케이션의 주요 전원으로 급속히 발전했습니다. 특성화 기술의 지속적인 개선은 배터리 제조업체 및 최종 사용자가 높은 배터리 효율성, 낮은 비용 및 가장 중요한 안전성을 요구하므로 산업, 규제 및 소비자 니즈를 충족시켜야합니다.

토론

EAG Laboratories에서는 리튬 이온 배터리의 구조 및 화학적 특성에 적합한 일련의 기술을 제공합니다. 주사 및 투과 전자 현미경 (SEMTEM)는 배터리에서 다양한 층의 두께 및 미세 구조를 제공하는데 사용된다. 이온 밀링 기술은 배터리 물질의 원래 상태를 정확하게 표현하기 위해 샘플의 무결성을 유지하는 데 사용됩니다. 이것은 프로세스 개발 또는 배터리 고장을 올바르게 이해하기 위해 필수적입니다. X- 선 회절 (XRD)과 결합 된 TEM을 사용하여 Li- 이온의 확산과 관련된 위상 변환을 분석 할 수도 있습니다. 또한, 전극-전해질 계면 반응에 의해 야기 된 얇은 SEI 층의 두께는 TEM에 의해서만 시각화 될 수있다.
배터리 물질의 분해 메커니즘은 X- 선 광전자 분광법 (XPS) 화학 상태 정보 및 가스 크로마토 그래피를 검출하기 위해 (GCMS) 기술을 사용하여 배터리의 팽창을 초래할 수있는 휘발성 구성 요소를 감지합니다. 이러한 기술은 라만 및 적외선 분광법 (FTIR), 글로 방전 질량 분석법 (GDMS)는 존재할 수있는 불순물을 포함하여 배터리에 존재하는 유기 및 무기 종을 감지 할 수 있습니다. 유도 결합 광학 방출 기술 (ICP-OES)는 리튬 이온 배터리의 사이클 안정성을 조정하는 데 필수적인 1 % 불확도 내에서 Li / 금속 비율을 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

리튬 배터리

가벼운 리튬 배터리

EDX를 이용한 주사 전자 현미경

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에 대한 SEM EDX

배터리 사이클링

리튬 이온 배터리의 구조적 및 화학적 특성화를위한 배터리 사이클링

TEM 화학 매핑 – 음극

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에서의 TEM 화학적 매핑

양극의 TEM

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에서 음극의 TEM

TEM 양극 (Anode) 구조의 일부 단면은 흑연 혈소판의 적재를 보여줍니다. SAED는 혈소판의 평행 배향을 보여준다.

배터리 음극의 ICP-OES

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에서의 전지 음극의 ICP-OES
  1. 배터리 성능 저하는 전기 활성 리튬의 손실과 직접 관련이 있습니다. EAG는 다양한 충전 상태에서 또는 충전 / 방전 사이클의 일정 횟수 후에 배터리 셀로부터 전기 활성 음극 부품을 추출하기위한 프로토콜을 개발했습니다.
  2. 음극의 원소 조성을 정확하게 결정하기위한 ICP-OES 기술. 쉽게 이온화 된 종이므로, 리튬 분석은 도전적이며 이러한 영향을 고려한 프로토콜로 실행해야합니다.
  3. 위의 표는 우리의 고성능 ICP-OES 기술에 의해 결정된 리튬 및 전이 금속 함량,이 경우 Mn을 포함하여 추출 된 음극 조성물을 보여줍니다.
  4. 이 기법을 사용하면 리튬 함량 변화를 정확히 추적 할 수 있습니다 (1 % 상대 변화보다 낮음).

 

음극의 XRD 위상 식별

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에서 음극의 XRD 위상 ID

FTIR 스펙트럼 – 분리기

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에 대한 FTIR 스펙트럼

구분 기호는 다음을 포함합니다.

  • 에틸렌 및 디 에틸 카보네이트와 유사한 유기 탄산염
  • 아미드 (1635 cm-1)
  • NH 및 / 또는 OH 함유 종 (3638 및 3447 cm-1)

고해상도 XPS 스펙트럼

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에 대한 고해상도 XPS 스펙트럼

XPS – Cu 스펙트럼 비교

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에 대한 XPS

XPS – 원소 조성 (원자 %)에이 비 씨 디이

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에 대한 원소 조성

a 감지 된 요소의 100 %로 정규화되었습니다. XPS는 H 또는 He를 감지하지 않습니다.

b 파선 "-"는 요소가 감지되지 않음을 나타냅니다.

c "x"는 겹치는 Fe3p 피크의 스펙트럼 간섭으로 인해 Li의 존재를 확인하거나 배제 할 수 없음을 나타냅니다.

d 물음표 "?" 종이 측정의 검출 한계 또는 그 근처에 존재할 수 있음을 나타냅니다.

e 분리기 (1) 및 음극에서 미량의 Mg 및 S가 검출되었습니다.

GCMS의 전해질 용제

리튬 이온 전지의 구조 및 화학적 특성에 대한 GCMS의 전해질 용매

실험적

배터리 사이클링 : +/- 10V에서 양극 및 음극 재료의 충 / 방전을 평가합니다.

FTIR : 분석 된 2 개의 샘플은 분리기 성분 및 결합제 성분을 포함한다. 각 샘플의 표면은 Continuum 현미경이 장착 된 Thermo-Nicolet 6700 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광계를 사용하여 감쇠 된 전반사 (ATR) 모드에서 검사되었습니다. Si 결정은 1 미크론 정도의 전형적인 침투 깊이로 사용되었다. 분석 스폿 크기는 대략 100 마이크론 x 100 마이크론이었습니다. OMNIC 8.0 소프트웨어를 사용하여 데이터 분석을 수행했습니다.

TEM : TEM 준비 샘플은 FEI Strata Dual Beam FIB / SEM에서 현장 FIB 리프트 아웃 기술을 사용하여 준비되었습니다. 샘플을 Ir 층으로 덮고, FIB 전자 빔 및 i 빔을 FIB 밀링 전에 표적화 된 영역 위에 침착시켰다. 샘플은 밝은 필드 TEM 모드 및 하이 앵글 연감 암 필드 (HAADF) STEM 모드에서 20kV에서 작동하는 FEI Tecnai Osiris TF-200 FEG / TEM으로 이미징되었습니다. EDX지도는 FEI Tecnai Osiris ChemiSTEM 시스템에서 공칭 2nm 전자 빔과 Bruker 4SDD 검출기를 사용하여 STEM 모드에서 얻었다.

XRD : 모든 데이터는 Cr x-ray 소스 (λ = 2Å)가있는 Bruker GADDS 2.28973D 영역 검출기에서 수집되었습니다.

SEM : 이온 밀링으로 단면 샘플을 준비한 다음 Ir으로 코팅하여 충전을 줄였습니다.

XPS : X 선 광전자 분광법은 정량적 원자 구성과 화학을 결정하는 데 사용됩니다. XPS는 단색 X- 선으로 샘플을 조사하여 작동하여 에너지가 원소 및 화학적 / 산화 상태의 특징 인 광전자를 방출하며, 그 강도는 샘플링 부피 내에 존재하는 원소의 양을 반영합니다. . 광전자는 X 선 침투 깊이 (일반적으로 수 마이크론) 내에서 생성되지만 상단 ~ 50-100Å 내의 광전자 만 감지됩니다 (자세한 내용은 아래의 각도 분해 XPS 참조). 분석 된 지역은 1400umx 3000um입니다. 검출 한계는 약 0.05 ~ 1.0 원자 %입니다.

GCMS : 유리 시린지를 사용하여 테트라 하이드로 퓨란 "THF"를 배터리에 직접 주입 한 다음, 동일한 주사기로 용매를 제거 하였다. 이 과정을 ~ 0.5 mL가 회수 될 때까지 반복했다. 회수 된 추출물을 GCMS에 직접 주입 하였다.

ICP-OES : 유도 결합 플라즈마 분석 기술은 ppt에서 wt % 범위까지 물질의 원소 함량을 정량적으로 측정 할 수 있습니다. 고체 샘플은 일반적으로 산성 수용액 인 액체에 용해되거나 소화됩니다. 용액은 약 8000 ° C의 온도에 도달 할 수있는 유도 결합 아르곤 플라즈마의 코어에 분사됩니다. 이러한 높은 온도에서 모든 분석 물질은 원자화되고 이온화되고 열적으로 여기 된 다음 방출 분광계 (ICP-OES)로 검출 및 정량화 할 수 있습니다.

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