Rechargeable Lithium-Ion Battery Evaluation

Význam tématu

Baterie na bázi lithium-iontů představují v současnosti klíčovou technologii ukládání energie díky vysoké napěťové hladině, energetické hustotě a dlouhé životnosti. Jejich široké využití v přenosné elektronice, hybridních a elektrických vozidlech významně přispívá k úsporám paliv i ochraně životního prostředí.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem materiálu je představit komplexní přehled metod analytického hodnocení jednotlivých komponent lithium-iontových baterií – od aktivních materiálů elektrody přes separátor až po elektrolyt a celé články. Dokument popisuje možnosti výzkumu, vývoje i kontroly kvality využitím přístrojové techniky značky Shimadzu.

Použitá metodika a instrumentace

Pro detailní charakterizaci bateriových materiálů byla uplatněna řada analytických přístupů:

• Složení a stopové prvky: spektrometrie ICP a rentgenová fluorescenční analýza (XRF).
• Krystalografie a morfologie: rentgenová difrakce (XRD) a metalografická zkoumání (EPMA).
• Povrchové a hloubkové analýzy: rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS) a skenovací mikroskopie (SPM).
• Organické a iontové složky elektrolytu: kapalinová chromatografie (HPLC) a plynová chromatografie s hmotnostní detekcí (GC–MS).
• Termické vlastnosti: diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC), termogravimetrie (TG) a termo­mechanická analýza (TMA).
• Mechanická odolnost a životnost: cyklické zkoušky únavy, průrazné testy a CT zobrazování pro nedestruktivní kontrolu celých článků.

Použitá instrumentace

• ICP Series (emission spectrometer)
• LAB CENTER XRF-1800 (sequential XRF spectrometer)
• EPMA-8050G (electron probe microanalyzer)
• SALD-7101 (nano particle size analyzer)
• XRD-6100 (X-ray diffractometer)
• AXIS-Supra (XPS imaging system)
• Prominence Series (HPLC)
• IRTracer-100 (infrared microscope)
• SPM-9700HT (scanning probe microscope)
• GCMS-QP2020 (GC–MS)
• GC-2010Plus/2014 (gas chromatograph)
• DTG-60/60A, TGA-50/50H (thermogravimetric analyzers)
• DSC-60 Plus/60A (differential scanning calorimeter)
• TMA-60/60H (thermomechanical analyzer)
• EHF-U Series (servopulser fatigue testing)
• AG-X plus (universal testing machine)
• inspeXio SMX-225 CT FPD HR (microfocus X-ray CT)

Hlavní výsledky a diskuse

Prezentované přístupy umožňují:

• Precizní stanovení složení aktivních materiálů a elektrolytu v širokém rozsahu koncentrací.
• Analýzu krystalové struktury a morfologie elektrody i separátoru.
• Vyhodnocení termálních a mechanických vlastností klíčových komponent.
• Bezdotykovou kontrolu integrity článků pomocí počítačové tomografie.

Diskuse zdůrazňuje význam kombinace technik pro komplexní pochopení procesů nabíjení, vybíjení a stárnutí baterie.

Přínosy a praktické využití metody

Metody pomáhají ve výrobě a vývoji baterií včetně:

• Optimalizace složení aktivních materiálů a elektrolytu.
• Kontroly kvality na výrobních linkách i v laboratorních podmínkách.
• Analýzy selhání a stárnutí článků.
• Vývoje ekologicky šetrnějších a výkonnějších článků pro automobilový průmysl.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření in-situ a operando měření, aplikace umělé inteligence pro analýzu rozsáhlých datových souborů, automatizovaná high-throughput screeningová zařízení a digitalizace procesů vývoje baterií. Důraz bude kladen na miniaturizaci a integraci multitechni­ckého přístupu.

Závěr

Komplexní hodnocení lithium-iontových baterií vyžaduje široké spektrum analytických a testovacích metod. Prezentované přístroje značky Shimadzu poskytují ucelený rámec pro výzkum, vývoj a kontrolu kvality, což urychlí inovace a zvýší spolehlivost budoucích bateriových systémů.

Reference

• Shimadzu Corporation: Rechargeable Lithium-Ion Battery Evaluation, 2017.