Deterioration Evaluation of Lithium-Ion Battery Components Using Infrared/Raman Microscope and Airtight Cells

Význam tématu

Lithium-iontové baterie nacházejí široké uplatnění v mobilních zařízeních i elektromobilech díky vysoké energetické hustotě a dlouhé životnosti. Opakované nabíjecí cykly však vedou k progresivní degradaci materiálů, což snižuje kapacitu a spolehlivost baterie. Porozumění mechanismům stárnutí je proto klíčové pro optimalizaci konstrukce a prodloužení životnosti Li-ion článků.

Cíle a přehled studie

Cílem této studie bylo sledovat strukturální změny hlavních komponent modelového Li-ion článku (kladný a záporný elektrodový materiál, separátor) před a po 100 nabíjecích/výbojových cyklech (konečné napětí 4,8 V, teplota 40 °C). Komponenty „virginního“ článku byly porovnány s materiály ze článku po cyklech.

Použitá metodika a instrumentace

Pro analýzu byl využit mikroskop IRXross s modulem AIRsight umožňující kombinovaná infračervená a Ramanova měření na stejném místě vzorku bez přesunu. Vzorky pocházející z gloveboxu byly uzavřeny v inertních vzduchotěsných buňkách s CaF₂ okny, což zabránilo expozici atmosféře po dobu až dvou týdnů.
Infračervené měření: reflexní mód, 4000–880 cm⁻¹, rozlišení 8 cm⁻¹, 100násobná akumulace (elektrody), 40násobná (separator), apertura 100 μm × 100 μm, detektor T2SL.
Ramanovo měření: 4000–150 cm⁻¹, excitace 532 nm, objektiv 50×, expozice 10 s, 10násobná akumulace, detektor CCD.

Hlavní výsledky a diskuse

• LiFePO₄ kladné elektrody: Po Kramers-Kronig analýze došlo k nárůstu pásu PO₃ (1230 cm⁻¹) a posunu pásu 1075 cm⁻¹ na vyšší vlnové číslo, což odpovídá deinterkalaci lithia a tvorbě FePO₄.
• Grafit záporné elektrody: Ramanův poměr ID/IG vzrostl z 0,21 na 0,32, což odráží zvýšenou poruchovost krystalické mřížky v důsledku cyklování.
• Polypropylenový separator: Infračervená spektra neprokázala rozdíly mezi virginním a cyklovaným vzorkem, degradace separátoru v těchto podmínkách nebyla pozorována.

Přínosy a praktické využití metody

• Jedno přístrojové řešení pro simultánní IR a Raman analýzu mikrooblasti šetří čas a eliminuje chybovost při přesunu vzorku.
• Vzduchotěsné buňky umožňují analýzu materiálů citlivých na vlhkost a kyslík v inertním prostředí.
• Metoda podporuje vývoj a kontrolu kvality vyspělých bateriových materiálů v reálných podmínkách provozu.

Budoucí trendy a možnosti využití

1. Implementace do výrobních linek pro online kontrolu degradace materiálů.
2. Studium vlivu teplotních a elektrokapacitních parametrů na mechanizmy stárnutí.
3. Rozšíření aplikace na nové typy baterií (solid-state, Na-ion apod.).

Závěr

Studie prokázala, že mikroskop AIRsight s IR a Raman funkcí v kombinaci s vzduchotěsnými buňkami umožňuje detailní vyhodnocení strukturálních změn klíčových komponent Li-ion článku bez expozice atmosféře. Deinterkalace lithia a narušení grafitové struktury po cyklování byly jednoznačně identifikovány, zatímco separátor zůstal stabilní.

Reference

1. A. Ait Salah, P. Jozwiak, K. Zaghib, J. Garbarczyk, F. Gendron, A. Mauger, C. M. Julien, FTIR features of lithium-iron phosphates as electrode materials for rechargeable lithium batteries. Spectrochimica Acta Part A, 65, s. 1007–1013, 2006.
2. Gen Katagiri, Raman Spectroscopy of Graphite and Carbon Materials and Its Recent Application. TANSO (Journal of The Carbon Society of Japan), č. 175, s. 304–313, 1996.