Rechargeable Lithium-Ion Battery Evaluation ─ APPLICATION NOTEBOOK ─

Význam tématu

Rychlý rozvoj přenosných i stacionárních zařízení poháněných li-ionovými články klade rostoucí nároky na jejich výkon, bezpečnost a životnost. Analytická charakterizace jednotlivých složek baterie (elektrody, separátory, elektrolyt) i celého článku je klíčová pro vývoj materiálů s vyšší tepelnou stabilitou, čistotou, optimální rozhraní a minimem kontaminantů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem předloženého souboru aplikovaných poznámek je představit různé instrumentální metody pro hodnocení a kvalifikaci komponent li-ion baterií. Text přináší ukázky:

• Termální analýzy katodových a separátorových materiálů (DSC, TGA, TMA),
• kvantifikace organického uhlíku v aktivních materiálech (TOC),
• mikroskopického zobrazení ochranných vrstev na elektrodách (SPM-FM),
• plynově chromatografické rozbory plynů a nízkomolekulárních sloučenin přítomných v bateriích (GC-2030),
• hromadné stanovení stopových nečistot v palivu pro palivové články (GC BID),
• potvrzení syntézy organických funkčních materiálů (MALDI-TOF MS),
• analýzy povrchů a rozhraní tenkých filmů katod a elektrolytů (XPS).

Použitá metodika a instrumentace

Pro komplexní přístup byly využity tyto metody:

• Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) a termogravimetrie (TGA) ke zjištění bodů tání, exotermie a obsahu vlhkosti v materiálech elektrod a separátorů.
• Celková analýza organického uhlíku (TOC-LCPH + spalovací jednotka SSM-5000A) pro rychlé stanovení obsahu uhlíku v práškových materiálech LiCoO₂.
• Skenovací mikroskopie v módu frekvenční modulace (SPM-8100FM) ve spojení s elektrochemickou buňkou pro vizualizaci vrstvy aditiv na olověné elektrodě.
• Plynová chromatografie (Nexis GC-2030) s kolónami Rt-Msieve 5A, Rt-Q-BOND a detektory FID či BID pro separaci anorganických plynů i organických rozpouštědel, analýzu termálních plynů i stopových nečistot v H₂.
• Matrix‐Assisted Laser Desorption/Ionization‐Time of Flight hmotnostní spektrometr MALDI-8020 pro přesné stanovení molekulových hmot organických polovodičů, OLED a fotovoltaických materiálů.
• X-ray Photoelectron Spectroscopy (AXIS XPS + gas‐cluster ion source) pro kvantitativní rozbor povrchových i hloubkových profilů LiPON tenkých filmů a identifikaci segregovaných solí Li.

Hlavní výsledky a diskuse

• DSC/TGA ukázaly kritické exotermie degradace nabitých elektrod nad 200 °C a rozdíly v tepelném chování separátorů z různých materiálů (PE, PP) doprovázené rozdíly v mechanických změnách (TMA).
• TOC-analýzy potvrdily lineární závislost stanovení obsahu uhlíku na přídavku známého standardu (glukóza) a prokázaly schopnost metody přesně detekovat hodnoty od 0,2 % C.
• SPM-FM zobrazila za prvé vrstvy sulfonovaného ligninu adsorbované na Pb elektrodě o tloušťce 50–100 nm, jež přispívají k potlačení sulface.
• GC-2030 s variabilní rychlostí ochlazování kolóny ukázala vliv na šum základní čáry a S/N poměry, přičemž pomalejší ochlazování lépe zachovává liquidní fázi kolóny.
• Dual BID systém oddělil a detekoval současně H₂, O₂, N₂, CH₄, CO, CO₂ a další nízkomolekulární organické plyny s RSD <1 %.
• MALDI-TOF MS umožnila rychlé potvrzení molekulových hmot i izotopických vzorů sloučenin do 2 000 Da včetně organických barviv a polovodičových oligomerů.
• XPS profilování prokázalo akumulaci Li v povrchové vrstvě LiPON a identifikaci segregovaných LiClO₄ krystalů na elektrodách.

Přínosy a praktické využití metody

Výsledky ukazují, jak volba a optimalizace instrumentů a metodika analýzy přispívají ke:

• Zvýšení bezpečnosti baterií identifikací rizikových termálních přechodů.
• Zajištění vysoké čistoty electrodek materiálů stanovením stopových uhlíkatých nebo plynových nečistot.
• Vylepšení dlouhodobé stability separátorů volbou polymerních směsí s optimálním tepelným a mechanickým chováním.
• Detekci a charakterizaci interfacialních vrstev SEI pro řízení cyklické životnosti.
• Rychlou validaci syntéz nových organických materiálů a tenkých filmů pro polovodiče a fotovoltaiku.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Další rozvoj vysokoteplotních mikrokalorimetrů a TGA pro přesné mazání exotermií v rozsahu mW/mg.
• Integrace on‐line TOC a GC technik pro monitoring výrobních procesů baterií.
• Pokročilé AFM metody v kapalinách a operando spektroskopie pro studium SEI vrstvy v reálném čase.
• Shrnutí s využitím umělé inteligence pro predikci instability materiálů na základě termálních a povrchových dat.
• Rozšíření Ar-klastrového profilování XPS na analýzu měkkých polymerních komponent a organických elektrolytů.

Závěr

Prezentované metody zaručují komplexní pohled na vlastnosti a kvalitu komponent li-ion baterií. Správnou volbou technik od termální analýzy, přes chromatografii až po hmotnostní spektrometrii a XPS lze významně zkrátit vývojové cykly a zvýšit bezpečnost i efektivitu moderních bateriových systémů.

Použitá instrumentace

• DSC-60 Plus
• Makro-TGA analyzátor (gramové vzorky)
• TOC-LCPH + spalovací jednotka SSM-5000A
• SPM-8100FM s elektrochemickou řešit covou buňkou
• Nexis GC-2030 s FID/BID a kolónami Rt-Msieve 5A, Rt-Q-BOND
• MALDI-8020 benchtop TOF MS
• AXIS XPS + gas-cluster ion source (20 kV Ar₁₀₀₀⁺)

Reference

• Investigating Thermal Properties of Lithium-Ion Battery Components, Shimadzu Application Note C10G-E079 (2016).
• Carbon Measurement of Metal Powder Battery Material, Shimadzu Application Note O72 (2018).
• Visualization of Additive Layer near Electrode in Electrolyte, Shimadzu S41 (2019).
• An Examination of Column Cooling Rates, Shimadzu G302 (2018).
• High‐Sensitivity Simultaneous Analysis of Inorganic Gases, Shimadzu G288 (2017).
• Trace Impurity Analysis of Hydrogen Fuel, Shimadzu G283 (2015).
• Confirmation of Synthesis of Organic Functional Materials, Shimadzu B96 (2019).
• Investigating LiPON Films by XPS, Kratos MO435, MO448A.