أعلى 4 تقنيات اختبار المواد بطارية ليثيوم أيون

تستخدم بطاريات الليثيوم على نطاق واسع في المنتجات الإلكترونية والسيارات كمصادر جديدة للطاقة. في السنوات الأخيرة ، دعمت الدولة بقوة صناعة الطاقة الجديدة ، وزادت العديد من الشركات ومعاهد البحوث المحلية والأجنبية من مدخلاتها وبحثت باستمرار عن مواد جديدة لتحسين الجوانب المختلفة لأداء بطارية الليثيوم. تخضع مواد أيونات الليثيوم وحزم الخلايا الكاملة ونصف الخلية والبطاريات ذات الصلة لسلسلة من الاختبارات قبل وضعها في الإنتاج. فيما يلي ملخص للعديد من طرق الاختبار الشائعة لمواد ليثيوم أيون.الملاحظات الهيكلية الأكثر سهولة: فحص المجهر الإلكتروني (SEM) والمجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) المجهر الإلكتروني المسح (SEM) نظرًا لأن مقياس مراقبة مادة البطارية في نطاق دون ميكرون من عدة مئات من النانومتر إلى عدة ميكرومتر ، لا يمكن للمجهر الضوئي العادي أن يلبي متطلبات المراقبة ، وغالبًا ما يستخدم مجهر الإلكترون التكبير العالي لمراقبة مادة البطارية. يُعد مسح المجهر الإلكتروني (SEM) بيولوجيا خلية حديثة نسبيًا أداة البحث التي تم اختراعها في عام 1965. وهي تستخدم أساسًا تصوير الإشارات الإلكترونية الثانوية لمراقبة التشكل السطحي للعينة ، أي باستخدام شعاع إلكتروني ضيق للغاية لمسح العينة ، من خلال شعاع الإلكترون ويؤدي تفاعل العينة إلى تأثيرات مختلفة ، والتي هي أساسا انبعاث الإلكترون الثانوي للعينة. يمكن لمسح الميكروسكوب الإلكتروني مراقبة حجم الجسيم وتوحيد مواد الليثيوم أيون ، وكذلك التشكل الخاص للمواد النانوية نفسها. حتى من خلال مراقبة تشوه المواد أثناء الدورة ، يمكننا الحكم على ما إذا كانت قدرة حفظ الدورة المقابلة جيدة أو سيئة. كما هو مبين في الشكل 1 ب ، فإن ألياف ثاني أكسيد التيتانيوم لديها هيكل شبكة خاص يوفر أداء كهروكيميائي جيدًا. 1: (أ) المسح المجهر الإلكتروني (SEM) التخطيطي الهيكلي ؛ (ب) الصور التي تم الحصول عليها عن طريق اختبار SEM (أسلاك TiO2) 1.1 مبدأ مسح المجهر الإلكتروني SEM: كما هو مبين في الشكل 1 أ ، فإن SEM هو استخدام قصف حزمة الإلكترون لسطح العينة ، مما يسبب إلكترونات ثانوية مثل انبعاث الإشارة ، والاستخدام الرئيسي لل SE والتضخيم ، ونقل المعلومات التي تحملها SE ، والتصوير بنقطة في سلسلة زمنية ، والتصوير على الأنبوب. 2.1 مسح ميزات المجهر الإلكتروني: (1) صورة مجسمة قوية وسمك يمكن ملاحظته (2) إعداد العينة بسيط وأكبر يمكن ملاحظة العينات (3) دقة أعلى ، 30 إلى 40Å (4) يمكن أن يكون التكبير متغيرًا باستمرار من 4 مرات إلى 150،000 (5) يمكن تجهيزه بملحقات للتحليل الكمي والنوعي للمساحة الجزئية 1.3 الأجسام الملاحظة: مساحيق والحبيبات والمواد السائبة يمكن اختبارها جميعًا. لا يتطلب أي علاج خاص إلا أنها تبقى جافة قبل الاختبار. وهي تستخدم أساسا لمراقبة التشكل السطحي للعينة ، وهيكل السطح المجزأ ، وهيكل السطح الداخلي للوميض. يمكن أن تعكس حدسي حجم وتوزيع حجم الجسيمات من المواد المحددة. TEM المجهر الإلكتروني للإرسالالتكوين 2: (أ) التخطيطي الهيكلي للمجهر الإلكتروني للإرسال TEM ؛ (ب) صورة اختبار TEM (ورقة نانوية Co3O4) 2.1 المبدأ: تُستخدم حزمة الإلكترون الساقطة للمرور عبر العينة لإنتاج إشارة إلكترونية تحمل المقطع العرضي للعينة. ثم يتم تصويره على لوحة الفلورسنت بعد تضخيمه بواسطة عدسة مغناطيسية متعددة المستويات ، ويتم إنشاء الصورة بأكملها في نفس الوقت .2.2 الميزات: (1) عينة رقيقة ، h <1000 Å (2) صورة مستوية ثنائية الأبعاد ، تأثير مجسم ضعيف (3) دقة عالية ، أفضل من 2 Å (4) تحضير العينة المعقدة 2.3 الأجسام الملاحظة: المواد النانوية المشتتة في المحلول تحتاج إلى تجفيفها على الشبكة النحاسية قبل الاستخدام ، وتحضيرها مقدمًا وإبقائها جافًا. الملاحظة الرئيسية هي البنية التحتية الداخلية للعينة. مجهر الإلكترون ذو الدقة العالية HRTEM يمكنه مراقبة الشبكة المقابلة والطائرة البلورية للمادة. كما هو مبين في الشكل 2 ب ، فإن مراقبة هيكل مستو 2D له تأثير أفضل ، مع جودة مجسمة رديئة بالنسبة إلى SEM ، ولكن مع دقة أعلى ، يمكن ملاحظة أجزاء أكثر دقة ، ويمكن لـ HRTEM مراقبة سطح الكريستال المادي و شعرية information.3. اختبار بنية المادة البلورية: تقنية حيود الأشعة السينية (XRD) تقنية حيود الأشعة السينية (XRD). من خلال حيود الأشعة السينية للمادة ، تحليل نمط الحيود الخاص بها ، للحصول على تركيبة المادة ، الذرة الداخلية أو التركيب الجزيئي أو مورفولوجيا المادة وطرق بحث المعلومات الأخرى. تحليل حيود الأشعة السينية هو الطريقة الرئيسية لدراسة المرحلة والهيكل البلوري للمادة. عندما تتعرض المادة (البلورة أو غير البلورية) لتحليل الحيود ، يتم تشعيع المادة بالأشعة السينية لإنتاج درجات مختلفة من الحيود. يحدد التكوين والشكل البلوري والترابط الجزيئي والتكوين الجزيئي والتشكيل إنتاج المادة. نمط الحيود الفريد. تتميز طريقة حيود الأشعة السينية بمزايا عدم إتلاف العينة ، وعدم التلوث ، والسرعة ، ودقة القياس العالية ، وكمية كبيرة من المعلومات حول سلامة البلورة. لذلك ، تم استخدام تحليل حيود الأشعة السينية كأسلوب علمي حديث لتحليل بنية المواد وتكوينها على نطاق واسع في البحث والإنتاج لمختلف التخصصات. الشكل 3: (أ) طيف XRD لمواد الليثيوم أيون ؛ (ب) هيكل مبدأ حيود الأشعة السينية 3-1 مبدأ XRD: عندما يتم إسقاط حيود الأشعة السينية في بلورة كموجة كهرومغناطيسية ، سوف تنتشر بواسطة ذرات في البلورة. تنبعث الأمواج المتناثرة من وسط الذرة. تشبه الموجات المتناثرة المنبعثة من وسط كل ذرة الموجة الكروية المصدر. نظرًا لأن الذرات مرتبة بشكل دوري في البلورة ، فهناك علاقة طور ثابتة بين هذه الموجات الكروية المنتشرة ، مما يؤدي إلى أن الموجات الكروية في بعض اتجاهات الانتثار تعزز بعضها البعض وتلغي بعضها البعض في بعض الاتجاهات ، مما يؤدي إلى ظهور ظاهرة الانعراج. يعتبر ترتيب الذرات داخل كل بلورة فريدًا ، لذا فإن نمط الحيود المقابل فريد من نوعه ، على غرار بصمات الأصابع البشرية ، بحيث يمكن إجراء تحليل الطور. فيما بينها ، يتم تحديد توزيع خطوط الحيود في نمط الحيود حسب حجم خلية الوحدة وشكلها واتجاهها. يتم تحديد شدة خطوط الحيود حسب نوع الذرات وموقعها في خلية الوحدة. باستخدام معادلة Bragg: 2dsinθ = nλ ، يمكننا الحصول على الأشعة السينية التي تحمسها مواد مختلفة باستخدام أهداف ثابتة لتوليد إشارات مميزة في زوايا خاصة ، أي قمم مميزة ملحوظة على بطاقة PDF .3.2 ميزات اختبار XRD: مقياس حيود XRD: له قابلية تطبيق واسعة ويستخدم عادة لقياس المواد السائبة المسحوق أو أحادي البلورية أو متعدد البلورات ، ولديه مزايا الاكتشاف السريع والتشغيل البسيط ومعالجة البيانات المريحة. إنه منتج ضمير قياسي. لا يمكن استخدامه فقط للكشف عن مواد الليثيوم ، بل يمكن لمعظم المواد البلورية استخدام XRD لاختبار شكله البلوري المحدد. يوضح الشكل 3 أ طيف XRD المطابق لمواد الليثيوم أيون Co3O4. يتم تمييز معلومات المستوى البلوري للمادة على الشكل وفقًا لبطاقة PDF المقابلة. ذروة التبلور لمادة الكتل السوداء المقابلة في هذا الشكل ضيقة وواضحة للغاية ، مما يشير إلى أن تبلورتها جيدة جدًا .3.3 متطلبات اختبار الكائن وإعداد العينة: عينات مسحوق أو عينات مسطحة ذات سطح أملس. تتطلب عينات المسحوق الطحن ، حيث يتم تسطيح سطح العينة ، مما يقلل من تأثير الإجهاد للعينة المقاسة. الأداء الكهروكيميائي (CV) Voltammetry Cyclic and Charharge and Discharge مواد بطارية الليثيوم تنتمي إلى مجموعة الكهروكيميائية ، لذلك سلسلة مماثلة من الاختبارات الكهروكيميائية ضرورية. اختبار السيرة الذاتية: طريقة بحث كهروكيميائية شائعة الاستخدام. تتحكم الطريقة في إمكانات الإلكترود بمعدلات مختلفة وتمسح بشكل متكرر باستخدام الموجي الثلاثي مرة أو أكثر بمرور الوقت. النطاق المحتمل هو توليد تفاعلات اختزال وأكسدة مختلفة بالتناوب على القطب وتسجيل منحنى التيار المحتمل. وفقًا لشكل المنحنى ، يمكن الحكم على درجة انعكاس تفاعل القطب ، وإمكانية امتصاص الحدود الوسيطة أو المرحلة أو تشكيل مرحلة جديدة ، وطبيعة تفاعل التفاعل الكيميائي. يشيع استخدامها لقياس بارامترات تفاعل القطب ، وتحديد خطوات التحكم وآلية التفاعل ، ومراقبة التفاعل الذي يمكن أن يحدث داخل نطاق الفحص المحتمل بأكمله ، وكيفية طبيعته. بالنسبة للنظام الكهروكيميائي الجديد ، غالبًا ما تكون الطريقة المفضلة للدراسة هي قياس الجهد الدوري ، والذي يمكن أن يشار إليه باسم "التحليل الطيفي الكهروكيميائي." والأقطاب الكهربائية المعدلة كيميائيا. مقياس التيار الكهربائي الدوري هو طريقة كهروكيميائية مفيدة لدراسة الطبيعة ، والآلية ، والمعاملات الحركية لعمليات القطب. بالنسبة للنظام الكهروكيميائي الجديد ، غالبًا ما تكون الطريقة المفضلة للدراسة هي قياس الجهد الدوري. نظرًا للعدد الكبير من العوامل المتأثرة ، تُستخدم هذه الطريقة عمومًا للتحليل النوعي ونادراً ما تستخدم للتحليل الكمي. التكوين 4: (أ) مخطط دورة السيرة الذاتية للقطب القابل للانعكاس ؛ (ب) اختبار شحن وتفريغ دورة التيار المستمر لبطارية اختبار شحن وتفريغ الدراجات الحالية: بعد تجميع بطارية الليثيوم في البطارية المقابلة ، يلزم الشحن والتفريغ لاختبار أداء الدورة. غالبًا ما تستخدم عملية تفريغ الشحنة طريقة تفريغ الشحنة المجلفنة ، والتفريغ والشحنات بكثافة تيار ثابت ، وتحد من الجهد أو ظروف سعة محددة ، وتقوم بإجراء اختبار دورة. هناك نوعان من الاختبارات المستخدمة عادة في المختبرات: ووهان بلو باور وشنتشن شين وى. بعد إعداد برنامج بسيط ، يمكن اختبار أداء دورة البطارية. الشكل 4 ب هو مخطط دورة لمجموعة من بطاريات الليثيوم المجمعة. يمكننا أن نرى أن المادة السائبة السوداء يمكن تعميمها على 60 دائرة ، ويمكن تعميم مادة NS الحمراء على 150 دائرة. ملخص: هناك العديد من تقنيات الاختبار لمواد بطارية الليثيوم. الأكثر شيوعا هي المذكورة أعلاه SEM ، TEM ، XRD ، السيرة الذاتية واختبار دورة. هناك أيضًا مطيافية رامان (رامان) ، مطيافية الأشعة تحت الحمراء (FTIR) ، مطيافية الإلكترون الضوئية بالأشعة السينية (XPS) ، وتحليل طيف الطاقة (EDS) لمرفقات المجهر الإلكتروني ، مطيافية فقد الطاقة الإلكترونية (EELS) لتحديد حجم المواد المسامية. معدل اختبار مساحة السطح BET. يمكن حتى استخدام مطياف حيود النيوترون وامتصاصه (XAFS) في بعض الحالات. في الثلاثين سنة الماضية ، تطورت صناعة بطاريات الليثيوم بسرعة وتدريجية محل الوقود التقليدي مثل الفحم والنفط لاستخدامها في السيارات وغيرها من معدات الطاقة. كما استمرت طرق التوصيف والكشف المطورة جنبًا إلى جنب في تحسين وتعزيز التقدم في مجال بطاريات الليثيوم.
المصدر: ميو كربيد