Analysis and Testing of Lithium-Ion Battery Materials

Význam tématu

Lithium-iontové baterie patří mezi klíčové zdroje energie pro přenosná zařízení i elektromobilitu a jsou zásadní pro snižování emisí CO₂.
Zajištění vysoké výkonnosti, dlouhé životnosti a bezpečnosti vyžaduje detailní analýzu materiálů i komponent celého článku.

Cíle a přehled studie / článku

Článek představuje komplexní řešení Shimadzu pro analýzu a testování materiálů lithium-iontových baterií.
Popisuje aplikace metod na katody, anody, separátory, elektrolyt i celkové moduly a pevné elektrolyty.

Použitá metodika a instrumentace

• Xspecia Chemical Bond Analysis System – analýza změn valence kladných elektrod
• XAFS na SPring-8 – srovnání s divalentními a trivalentními standardy
• inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus – nekontaktní rentgenové CT cel a modulů
• GCMS-QP2020NX – GC-MS pro elektrolyty a plyny z baterií
• HIC-ESP Suppressor Ion Chromatograph – iontová chromatografie aniontů degradovaných elektrolytů
• SPM-9700HT – AFM pro morfologii a mechanické vlastnosti pojiv na anodách
• DSC-60Plus/TMA-60 – termické analýzy a dilatometrie separátorů
• AGX-V Universal Testing Machine – mechanické a propichovací zkoušky separátorů
• Kratos Nova/ULTRA 2 XPS – povrchové a hloubkové profilování LiPON filmů
• iSpect DIA-10 – analýza distribuce velikosti a tvaru částic pevných elektrolytů
• MCT-510 Micro Compression Tester – test pevnosti prášků pevných elektrolytů

Hlavní výsledky a diskuse

• Změny valence Ni, Co a Mn u ternárních i Li-bohatých katod korelovaly s kapacitou a stavem nabití.
• RTG-CT odhalilo drobné deformace elektrod i separátorů v článcích 18650 i polymerových bateriích.
• GC-MS identifikoval hlavní složky elektrolytu a plynné vedlejší produkty, včetně fluoridů vznikajících při stárnutí.
• Iontová chromatografie prokázala přítomnost F⁻ a PO₂F₂⁻ v degradovaných elektrolytech po zrychlené zkoušce.
• AFM ukázala rozdíly v morfologii pojiv v elektrolytu a mechanické testy potvrdily jejich tuhost.
• Termické a mechanické analýzy separátorů odhalily teploty tání, smrštění a odolnost vůči perforaci.
• XPS profilování pomocí Ar cluster iontů poskytlo přesnější hloubkové složení LiPON než monomerní Ar ionty.
• Statistická analýza velikosti a pevnosti částic pevných elektrolytů umožnila optimalizaci procesu formování solid-state baterií.

Přínosy a praktické využití metody

• Podpora vývoje nových směsí elektrody prostřednictvím kvantitativní analýzy chemického stavu.
• Detekce a identifikace degradace elektrolytů a plynů pro návrh bezpečnějších systémů.
• Non-destruktivní CT inspekce pro finální kontrolu kvality článků a modulů.
• Optimalizace mechanických vlastností separátorů a pojiv pro vyšší životnost a bezpečnost.
• Přesné hloubkové profilování a charakterizace prášků pro přechod k all-solid-state bateriím.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace spektroskopických a CT metod do výrobních linek k online monitoringu kvality.
• Další vývoj clusterových iontových zdrojů pro jemné hloubkové profilování.
• Využití strojového učení pro analýzu rozsáhlých elektrochemických a strukturálních dat.
• Standardizace bezpečnostních a pevnostních testů pro globální trh elektromobility.
• Rozšíření aplikací na nové typy baterií, včetně sodíkových a hybridních systémů.

Závěr

Shimadzu nabízí integrované analytické a testovací platformy pro komplexní charakterizaci materiálů lithium-iontových baterií, které podporují výzkum, vývoj i kontrolu kvality finálních produktů a zvyšují bezpečnost i životnost.

Reference

• není uvedeno