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

Les piles au lithium sont largement utilisées dans les produits électroniques et les automobiles en tant que nouvelles sources d'énergie. Au cours des dernières années, l’État a vigoureusement soutenu le secteur de la nouvelle énergie et de nombreuses entreprises et instituts de recherche nationaux et étrangers ont accru leur contribution et ont recherché en permanence de nouveaux matériaux pour améliorer divers aspects des performances des batteries au lithium. Les matériaux lithium-ion et les blocs-piles complets, demi-cellules 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: la microscopie électronique à balayage (SEM) et la microscopie électronique à transmission (TEM) Le microscope électronique à balayage (SEM) Depuis l’échelle d’observation du matériau de la batterie Le microscope optique ordinaire ne peut pas répondre aux exigences d'observation et un microscope électronique à plus fort grossissement est souvent utilisé pour observer le matériau de la batterie.Le microscope électronique à balayage (MEB) est une biologie cellulaire relativement moderne. outil de recherche inventé en 1965. Il utilise principalement l’imagerie par signal électronique secondaire pour observer la morphologie de la surface de l’échantillon, c’est-à-dire l’utilisation d’un faisceau électronique très étroit pour balayer l’échantillon, à travers le faisceau d’électrons. L’interaction de l’échantillon produit divers effets, qui sont principalement l’émission d’électrons secondaires de l’échantillon. La microscopie électronique à balayage permet d'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 maintien du 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 en microscopie électronique à balayage (MEB); (b) Photographies obtenues par des essais au MEB (nanofils de TiO2) 1.1 Principe du microscope électronique à balayage au MEB: Comme le montre la figure 1a, le MEB consiste à utiliser un bombardement par faisceau électronique de la surface de l’échantillon, provoquant des électrons secondaires, tels que l’émission de signaux, principalement. SE et amplification, transmission d'informations véhiculées par SE, imagerie point par point en série chronologique, imagerie sur le tube.1.2 Caractéristiques du microscope électronique à balayage: (1) Image stéréoscopique forte et épaisseur observable (2) La préparation de l'échantillon est simple et plus grande des échantillons peuvent être observés (3) Résolution supérieure, 30 à 40 Å (4) Le grossissement peut être continuellement variable de 4 fois à 150 000 (5) Peut être équipé d'accessoires pour l'analyse quantitative et qualitative de la micro-zone1.3 Objets d'observation: Poudres , les granules et les matériaux en vrac peuvent tous être testés. Aucun traitement spécial n'est requis, sauf qu'ils sont conservés au sec avant les tests. Il est principalement utilisé pour observer la morphologie de la surface de l'échantillon, la structure de la surface divisée et la structure de la surface interne de la lumière. Il peut refléter intuitivement 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 de test TEM (nanosheet de 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 visualisé sur une plaque fluorescente après avoir été amplifié par une lentille magnétique à plusieurs niveaux, et l’ensemble de l’image est établie en même temps.2.2 Caractéristiques: (1) Échantillon mince, h <1000 Å (2) image plane 2D, effet stéréoscopique médiocre (3) Haute résolution, meilleure que 2 Å (4) Préparation d'un échantillon complexe2.3 Objets d'observation: Les matériaux à l'échelle nanométrique dispersés dans la solution doivent être déposés sur la maille de cuivre avant utilisation, préparés à l'avance et maintenus au sec. L'observation principale est l'ultrastructure interne de l'échantillon. Le microscope électronique à transmission haute résolution HRTEM peut observer le réseau et le plan cristallin correspondants du matériau. Comme le montre la figure 2b, l'observation de la structure plane 2D a un meilleur effet, avec une qualité stéréoscopique médiocre par rapport au SEM, mais avec une résolution plus élevée, des parties plus subtiles peuvent être observées, et le HRTEM spécial peut même observer le matériau Crystal surface et informations de réseau.3. Test de structure cristalline: Technologie (XRD) de diffraction des rayons X Technologie 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 méthode principale pour étudier la phase et la structure cristalline d'une substance. Lorsqu'une substance (cristalline ou non cristallisée) est soumise à une analyse par diffraction, la substance est irradiée par 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. Modèle de diffraction unique. La méthode de diffraction des rayons X présente les avantages de ne pas endommager l'échantillon, de ne pas polluer, de 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 d’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 de diffraction des rayons X d’un matériau lithium-ion; (b) Structure principale du diffractomètre à rayons X3.1 Principe de la diffraction des rayons X: Lorsque la diffraction des rayons X est projetée dans un cristal sous la forme d'une onde électromagnétique, elle est diffusée par les atomes qui le composent. Des ondes dispersées sont émises du centre de l'atome. Les ondes diffusées émises par le centre de chaque atome ressemblent à l’onde sphérique source. Etant donné que les atomes sont disposés périodiquement dans le cristal, il existe une relation de phase fixe entre ces ondes sphériques dispersées, ce qui a pour conséquence que les ondes sphériques dans certaines directions de diffusion se renforcent et s’annulent dans certaines directions, ce qui entraîne des phénomènes de diffraction. La disposition des atomes dans chaque cristal étant unique, le motif de diffraction correspondant est unique, semblable aux empreintes digitales humaines, de sorte que l’analyse de phase puisse être effectuée. Parmi eux, la distribution des raies de diffraction dans le motif 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'une utilisation simple et d'un traitement de données pratique. C'est un produit standard de conscience. Non seulement peut être utilisé pour détecter les matériaux au lithium, mais la plupart des matériaux cristallins peuvent utiliser la diffraction XRD pour tester sa forme cristalline spécifique. La figure 3a montre le spectre de diffraction des rayons X correspondant au matériau lithium-ion Co3O4. Les informations du plan cristallin du matériau sont marquées sur la figure conformément à la fiche 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.3.3 Exigences relatives à l’objet de test et à la préparation de l’échantillon: Échantillons en poudre ou échantillons plats à surface lisse. 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 cyclique et décharges Les matériaux de batterie au lithium sont de la gamme électrochimique. Une série correspondante de tests électrochimiques est donc essentielle.Test CV: Méthode de recherche électrochimique couramment utilisée. Le procédé contrôle le potentiel des électrodes à différentes vitesses et balaye à plusieurs reprises 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 la limite intermédiaire ou de phase ou la formation d'une nouvelle phase et la nature de la réaction chimique de couplage peuvent être évalués. Couramment utilisé pour mesurer les paramètres de réaction des électrodes, 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, que l'on peut appeler «spectroscopie électrochimique». En plus d'utiliser des électrodes à mercure, cette méthode peut également utiliser des microélectrodes en platine, or, carbone vitreux, fibre de carbone, électrodes chimiquement modifiées.La voltamétrie cyclique est une méthode électrochimique utile pour l’étude de la nature, du mécanisme et des paramètres cinétiques des processus d’électrodes. Pour un nouveau système électrochimique, la méthode d'étude préférée est souvent la voltamétrie cyclique. En raison du grand nombre de facteurs affectés, cette méthode est généralement utilisée pour les analyses qualitatives et est rarement utilisée pour les analyses quantitatives.Figure 4: (a) Diagramme du cycle CV de l'électrode réversible; (b) Test de charge et de décharge du cycle à courant constant de la batterieEssai de charge et de décharge du cycle à 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, la performance de cycle de la batterie peut être testée. La figure 4b est un diagramme de cycle d'un groupe de batteries assemblées à batterie au lithium. Nous pouvons voir que le matériau en vrac noir peut circuler sur 60 cercles et le matériau NS rouge 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 de 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 pièces jointes au microscope électronique, la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) pour déterminer la taille des particules porosité. Taux de test de surface BET. Même la spectroscopie d'absorption et de diffraction neutronique (XAFS) peut être utilisée dans certains cas. Au cours des 30 dernières années, le secteur des piles au lithium s'est développé rapidement et a progressivement remplacé les combustibles traditionnels tels que le charbon et le pétrole pour une utilisation dans les équipements automobiles et autres équipements. Les méthodes de caractérisation et de détection développées parallèlement ont également continué à améliorer et à promouvoir les progrès dans le domaine des batteries au lithium.
Source: Meeyou Carbide