Guide to Lithium-ion Battery Solutions

Význam tématu

Lithium-ion baterie představují klíčovou technologii pro přenosná zařízení, elektromobily a úložiště energie. Kvalita a dlouhodobá životnost těchto baterií závisí na vlastnostech materiálů jednotlivých komponent. Systematická analytická charakterizace zajišťuje bezpečný a efektivní provoz baterií.

Cíle a přehled studie

Studie shrnuje metodické přístupy k hodnocení materiálů lithium-ion baterií, včetně mechanických zkoušek aktivních materiálů, separátorů a elektrolytů, termálních analýz, spektroskopie, chromatografie, rentgenové tomografie, mikroanalýzy a charakterizace částic.

Použitá metodika a instrumentace

• Mechanické testy: Micro Compression Tester, AUTOGRAPH Precision Universal Tester, DIC vizualizace
• Termální analýza: DSC, TGA, TMA
• Spektroskopie FTIR v inertní atmosféře
• Chromatografie: Ion Chromatography, GC/BID, GC–MS
• Rentgenová CT: Microfocus X-Ray CT System
• Mikroanalýza: EPMA, SPM/AFM
• Charakterizace částic: laserová difrakce (SALD), dynamic image analysis (DIA)

Hlavní výsledky a diskuse

• Frakturní pevnost LiCoO₂ dosahuje ~72,8 MPa, LiMn₂O₄ ~7,8 MPa, což ovlivňuje tvarovatelnost elektrod.
• DIC analýza ukázala koncentraci napětí kolem poškozených míst separátoru.
• DSC odhalilo tání polyethylenu v separatoru mezi 100 – 140 °C; TGA detekovala vlhkost aktivních materiálů v řádu desetinin procenta.
• FTIR v argonu umožnil sledovat solvatační vazby LiPF₆ bez interference vodních par.
• IC a GC–MS identifikovaly rozkladné produkty elektrolytů a přísady (vinylene carbonate).
• GC‐BID analyzoval plyny generované stárnutím baterií; pokles H₂ a nárůst uhlovodíků koreluje s degradací.
• X-ray CT dokumentovala vnitřní deformace elektrod po stovkách cyklů a po výbuchu baterie.
• EPMA a SPM/AFM mapovaly elementární složení a vodivost na mikroúrovni.
• Laserová difrakce sledovala disperkci uhlíkových částic, DIA odhalila ojedinělé velké částice v materiálech elektrod.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní soubor technik podporuje vývoj nových materiálů a kontrolu kvality v průmyslové výrobě.
• Nezničující CT umožňuje sledování stárnutí stejných vzorků v čase bez destrukce.
• Mikroskopické a spektroskopické metody zvyšují přesnost detekce počátečních fází degradace.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace in situ metod pro sledování procesů během nabíjení/vybíjení.
• Využití umělé inteligence pro automatizovanou analýzu CT a mikroskopických dat.
• Vývoj kompaktních přístrojů pro aplikace přímo ve výrobě a servisu baterií.

Závěr

Prezentovaná metodika poskytuje ucelený pohled na mechanické, termální, chemické a strukturální vlastnosti komponent lithium-ion baterií. Kombinace těchto přístupů významně přispívá k zajištění bezpečnosti, spolehlivosti a prodloužené životnosti baterií.

Reference

1. Shimadzu Corporation, Guide to Lithium-ion Battery Solutions, 2022.