Top 4 des technologies de test de matériaux de batteries lithium-ion

Les batteries au lithium sont largement utilisées dans les produits électroniques et les automobiles comme nouvelles sources d'énergie. Ces dernières années, l'État a vigoureusement soutenu la nouvelle industrie de l'énergie, et de nombreuses entreprises et instituts de recherche nationaux et étrangers ont augmenté leur contribution et ont continuellement recherché de nouveaux matériaux pour améliorer divers aspects des performances des batteries au lithium. Les matériaux au lithium-ion et les blocs-piles, demi-piles et batteries associés subissent une série de tests avant d'être mis en production. Voici un résumé de plusieurs méthodes de test courantes pour les matériaux lithium-ion. Les observations structurelles les plus intuitives : microscopie électronique à balayage (SEM) et microscopie électronique à transmission (TEM) Microscope électronique à balayage (SEM) Étant donné que l'échelle d'observation du matériau de la batterie est dans le gamme submicronique de plusieurs centaines de nanomètres à plusieurs micromètres, le microscope optique ordinaire ne peut pas répondre aux exigences d'observation, et un microscope électronique à grossissement plus élevé est souvent utilisé pour observer le matériau de la batterie. Le microscope électronique à balayage (SEM) est une biologie cellulaire relativement moderne outil de recherche inventé en 1965. Il utilise principalement l'imagerie du signal électronique secondaire pour observer la morphologie de surface de l'échantillon, c'est-à-dire en utilisant un faisceau d'électrons très étroit pour balayer l'échantillon, à travers le faisceau d'électrons et L'interaction de l'échantillon produit divers effets, qui sont principalement l'émission électronique secondaire de l'échantillon. La microscopie électronique à balayage peut observer la taille des particules et l'uniformité des matériaux lithium-ion, ainsi que la morphologie particulière des nanomatériaux eux-mêmes. Même en observant la déformation des matériaux au cours du cycle, nous pouvons juger si la capacité de tenue de cycle correspondante est bonne ou mauvaise. Comme le montre la figure 1b, les fibres de dioxyde de titane ont une structure de réseau spéciale qui offre de bonnes performances électrochimiques.Fig. 1 : (a) Schéma structurel de la microscopie électronique à balayage (MEB) ; (b) Photographies obtenues par test SEM (nanofils de TiO2) 1.1 Principe du microscope électronique à balayage SEM : comme le montre la figure 1a, le SEM est l'utilisation du bombardement par faisceau d'électrons de la surface de l'échantillon, provoquant des électrons secondaires tels que l'émission de signal, l'utilisation principale de SE et amplification, transmission des informations portées par SE, imagerie point par point en série temporelle, imagerie sur le tube.1.2 Caractéristiques du microscope électronique à balayage : (1) Image stéréoscopique forte et épaisseur observable (2) La préparation des échantillons est simple et plus grande des échantillons peuvent être observés (3) Résolution plus élevée, 30 à 40 Å (4) Le grossissement peut être variable en continu de 4 fois à 150 000 (5) Peut être équipé d'accessoires pour l'analyse quantitative et qualitative de micro-zones1.3 Objets d'observation :Poudres , les granulés et les matériaux en vrac peuvent tous être testés. Aucun traitement spécial n'est requis, sauf qu'ils sont maintenus au sec avant le test. Il est principalement utilisé pour observer la morphologie de surface de l'échantillon, la structure de la surface divisée et la structure de la surface interne de la lumière. Il peut intuitivement refléter la taille et la distribution spécifiques de la taille des particules du matériau.2. Microscope électronique à transmission TEM Figure 2 : (a) Schéma structurel d'un microscope électronique à transmission TEM ; (b) Photo d'essai TEM (nanofeuille Co3O4) 2.1 Principe : Le faisceau d'électrons incident est utilisé pour traverser l'échantillon afin de produire un signal électronique qui porte la section transversale de l'échantillon. Il est ensuite imagé sur une plaque fluorescente après avoir été amplifié par une lentille magnétique multiniveau, et l'image entière est établie en même temps.2.2 Caractéristiques : (1) Échantillon fin, h<1000 Å (2) Image planaire 2D, effet stéréoscopique médiocre (3) Haute résolution, meilleure que 2 Å (4) Préparation d'échantillons complexes2.3 Objets d'observation : les matériaux à l'échelle nanométrique dispersés dans la solution doivent être égouttés sur le treillis de cuivre avant utilisation, préparés à l'avance et maintenus au sec. La principale observation est l'ultrastructure interne de l'échantillon. Le microscope électronique à transmission haute résolution HRTEM peut observer le réseau correspondant et le plan cristallin du matériau. Comme le montre la figure 2b, l'observation de la structure plane 2D a un meilleur effet, avec une mauvaise qualité stéréoscopique par rapport au SEM, mais avec une résolution plus élevée, des parties plus subtiles peuvent être observées, et le HRTEM spécial peut même observer la surface du cristal du matériau et informations sur le réseau.3. Test de structure cristalline des matériaux : (XRD) Technologie de diffraction des rayons XTechnologie de diffraction des rayons X (XRD). Par diffraction des rayons X du matériau, analyse de son diagramme de diffraction, pour obtenir la composition du matériau, l'atome interne ou la structure moléculaire ou la morphologie du matériau et d'autres méthodes de recherche d'informations. L'analyse par diffraction des rayons X est la principale méthode d'étude de la phase et de la structure cristalline d'une substance. Lorsqu'une substance (cristalline ou non cristalline) est soumise à une analyse de diffraction, la substance est irradiée avec des rayons X pour produire différents degrés de diffraction. La composition, la forme cristalline, la liaison intramoléculaire, la configuration moléculaire et la conformation déterminent la production de la substance. Motif de diffraction unique. La méthode de diffraction des rayons X présente les avantages de ne pas endommager l'échantillon, de ne pas polluer, de la rapidité, d'une grande précision de mesure et d'une grande quantité d'informations sur l'intégrité du cristal. Par conséquent, l'analyse par diffraction des rayons X en tant que méthode scientifique moderne pour l'analyse de la structure et de la composition des matériaux a été largement utilisée dans la recherche et la production de diverses disciplines. Figure 3 : (a) spectre XRD du matériau lithium-ion ; (b) Structure principale du diffractomètre à rayons X 3.1 Principe de XRD : lorsque la diffraction des rayons X est projetée dans un cristal sous forme d'onde électromagnétique, elle sera diffusée par les atomes du cristal. Les ondes diffusées sont émises depuis le centre de l'atome. Les ondes diffusées émises depuis le centre de chaque atome ressemblent à l'onde sphérique source. Étant donné que les atomes sont disposés périodiquement dans le cristal, il existe une relation de phase fixe entre ces ondes sphériques diffusées, ce qui amène les ondes sphériques dans certaines directions de diffusion à se renforcer mutuellement et à s'annuler dans certaines directions, entraînant des phénomènes de diffraction. La disposition des atomes à l'intérieur de chaque cristal est unique, de sorte que le diagramme de diffraction correspondant est unique, similaire aux empreintes digitales humaines, de sorte qu'une analyse de phase peut être effectuée. Parmi eux, la distribution des raies de diffraction dans le diagramme de diffraction est déterminée par la taille, la forme et l'orientation de la cellule unitaire. L'intensité des raies de diffraction est déterminée par le type d'atomes et leur position dans la cellule unitaire. En utilisant l'équation de Bragg : 2dsinθ=nλ, nous pouvons obtenir des rayons X excités par différents matériaux en utilisant des cibles fixes pour générer des signaux caractéristiques à des angles θ spéciaux, c'est-à-dire des pics caractéristiques marqués sur la carte PDF.3.2 Caractéristiques du test XRD :Le diffractomètre XRD a une large applicabilité et est généralement utilisé pour mesurer des matériaux en vrac en poudre, monocristallins ou polycristallins, et présente les avantages d'une détection rapide, d'un fonctionnement simple et d'un traitement de données pratique. C'est un produit de conscience standard. Non seulement peut être utilisé pour détecter les matériaux au lithium, mais la plupart des matériaux cristallins peuvent utiliser XRD pour tester sa forme cristalline spécifique. La figure 3a montre le spectre XRD correspondant au matériau lithium-ion Co3O4. Les informations sur le plan cristallin du matériau sont marquées sur la figure selon la carte PDF correspondante. Le pic de cristallisation du matériau de bloc noir correspondant sur cette figure est étroit et très apparent, ce qui indique que sa cristallinité est très bonne. Les échantillons de poudre nécessitent un broyage, la surface de l'échantillon doit être aplatie, ce qui réduit l'effet de contrainte de l'échantillon mesuré.4. Performances électrochimiques (CV) Voltamétrie cyclique et charge et décharge cycliquesLes matériaux de batterie au lithium appartiennent à la gamme électrochimique, de sorte qu'une série correspondante de tests électrochimiques est essentielle. Test CV : Une méthode de recherche électrochimique couramment utilisée. Le procédé contrôle le potentiel d'électrode à différentes vitesses et effectue des balayages répétés avec la forme d'onde triangulaire une ou plusieurs fois dans le temps. La plage de potentiel consiste à générer alternativement différentes réactions de réduction et d'oxydation sur l'électrode et à enregistrer la courbe courant-potentiel. Selon la forme de la courbe, le degré de réversibilité de la réaction d'électrode, la possibilité d'adsorption de l'intermédiaire ou de la limite de phase ou la formation d'une nouvelle phase, et la nature de la réaction chimique de couplage peuvent être jugés. Couramment utilisé pour mesurer les paramètres de réaction de l'électrode, déterminer les étapes de contrôle et le mécanisme de réaction, et observer quelle réaction peut se produire dans toute la plage de balayage potentiel, et comment leur nature. Pour un nouveau système électrochimique, la méthode d'étude préférée est souvent la voltamétrie cyclique, qui peut être appelée «spectroscopie électrochimique». En plus d'utiliser des électrodes au mercure, cette méthode peut également utiliser du platine, de l'or, du carbone vitreux, des microélectrodes en fibre de carbone et des électrodes modifiées chimiquement. La voltamétrie cyclique est une méthode électrochimique utile pour l'étude de la nature, du mécanisme et des paramètres cinétiques des processus d'électrode. . Pour un nouveau système électrochimique, la méthode d'étude privilégiée est souvent la voltamétrie cyclique. En raison du grand nombre de facteurs affectés, cette méthode est généralement utilisée pour l'analyse qualitative et est rarement utilisée pour l'analyse quantitative. Figure 4 : (a) diagramme de cycle CV de l'électrode réversible ; (b) Test de charge et de décharge du cycle de courant constant de la batterieTest de charge et de décharge du cycle de courant constant : une fois la batterie au lithium assemblée dans la batterie correspondante, une charge et une décharge sont nécessaires pour tester les performances du cycle. Le processus de charge-décharge utilise souvent une méthode de charge-décharge galvanostatique, décharge et charge à une densité de courant fixe, limite la tension ou des conditions de capacité spécifiques et effectue des tests de cycle. Il existe deux types de testeurs couramment utilisés dans les laboratoires : Wuhan Blue Power et Shenzhen Xinwei. Après avoir configuré un programme simple, les performances du cycle de la batterie peuvent être testées. La figure 4b est un schéma de cycle d'un groupe de batteries au lithium assemblées. Nous pouvons voir que le matériau en vrac noir peut circuler sur 60 cercles et que le matériau NS rouge peut circuler sur 150 cercles. Résumé : il existe de nombreuses techniques de test pour les matériaux de batterie au lithium. Les plus courants sont les tests SEM, TEM, XRD, CV et cycle mentionnés ci-dessus. Il existe également la spectroscopie Raman (Raman), la spectroscopie infrarouge (FTIR), la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et l'analyse du spectre d'énergie (EDS) des accessoires de microscope électronique, la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) pour déterminer la taille des particules de matériau et porosité. Taux de test de surface BET. Même la spectroscopie de diffraction et d'absorption des neutrons (XAFS) peut être utilisée dans certains cas. Au cours des 30 dernières années, l'industrie des batteries au lithium s'est développée rapidement et a progressivement remplacé les carburants traditionnels tels que le charbon et le pétrole pour une utilisation dans l'automobile et d'autres équipements électriques. Les méthodes de caractérisation et de détection développées avec lui n'ont cessé d'améliorer et de faire progresser le domaine des batteries au lithium.
Source: Meeyou Carbide