Mô tả
Hệ thống XPS Thermo Scientific™ Nexsa™ được sử dụng để phân tích bề mặt của các điện cực pin lithium-ion. Do tính chất nhạy với không khí của những vật liệu này, mô-đun chuyển đổi chân không Nexsa đã được sử dụng để vận chuyển mẫu từ hộp kín đến thiết bị mà không tiếp xúc với không khí. Điều này đảm bảo rằng bề mặt mẫu đúng như bề mặt vật liệu điện cực khi được lấy ra khỏi pin.
Giới thiệu
Pin lithium-ion đã trở thành giải pháp lưu trữ năng lượng được lựa chọn cho một số lượng lớn các ứng dụng, từ ô tô đến thiết bị điện tử di động. Cấu trúc pin lithium-ion nhẹ hơn so với các công nghệ pin khác, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng vận chuyển khi kết hợp với nguồn năng lượng tương đối cao, và có thể giảm thiểu chi phí cao hơn. Việc cải thiện hiệu suất cấu trúc pin lithium-ion, chẳng hạn như để tăng năng lượng, giảm trọng lượng, giảm chi phí và cải thiện thời gian sạc, đòi hỏi phải phát triển các cải tiến cho ít nhất một trong các thành phần cốt lõi trong cấu trúc pin, như được hiển thị trong Hình 1.
Khi hoạt động, lithium được lưu trữ trong cực dương sẽ bị oxy hóa, và các ion Li+ được tạo ra sẽ vận chuyển qua chất điện phân và màng ngăn để đến cực âm. Tại cực âm, anion sẽ bị oxy hóa, tạo ra hợp chất có thể lưu trữ các ion lithium đến. Khi pin được sạc lại sau khi sử dụng, dòng chảy của các ion sẽ đảo ngược lại, và chúng được khử lại thành kim loại lithium để lưu trữ trong cực dương. Cực dương thường được làm từ graphite (than chì), với lithium xen kẽ trong cấu trúc graphite. Cực âm bao gồm một oxit kim loại lithium, thành phần chính xác của nó thay đổi tùy thuộc vào các đặc tính cần thiết của cấu trúc pin. Các vật liệu cực âm phổ biến nhất là LiCoO2 (LCO – lithium-coban), LiMn2O4 (LMO – lithium-mangan), LiFePO4 (LFP – lithium-phosphate), và Li(NiMnCo)O2 (NMC – nickel mangan cobalt). Các oxit này thay đổi tỷ lệ hóa học tùy thuộc vào việc cấu trúc pin đang được sạc hay xả; tức là dòng chảy của Li+ đến hoặc từ cực âm.
Một sản phẩm phụ của quá trình sạc và xả là sự hình thành của lớp điện phân rắn (SEI) trên cực dương. Sự hình thành và phát triển của lớp SEI cạnh tranh với quá trình xen kẽ lithium có thể đảo ngược, và trong suốt tuổi thọ của pin, sự hiện diện của SEI sẽ góp phần làm giảm dung lượng, và là một yếu tố dẫn đến sự hỏng hóc cuối cùng của pin. Việc hiểu rõ lớp SEI là một lĩnh vực được quan tâm đáng kể, nhằm kiểm soát và do đó cải thiện hiệu suất của pin. Phương pháp phân tích độ sâu XPS cung cấp một cách để đặc trưng hóa về mặt hóa học hỗn hợp phức tạp tạo nên lớp SEI, cho phép xác định các thành phần hóa học của SEI.
Kỹ thuật XPS cho phân tích vật liệu điện cực pin lithium-ion
Lithium rất nhạy với không khí và độ ẩm, do đó để phân tích thành công các vật liệu điện cực, cần phải đưa chúng vào hệ thống XPS mà không tiếp xúc với không khí. Để thực hiện điều này, các mẫu được nạp vào Mô-đun Chuyển đổi Chân không (VTM) trong hộp kín. VTM (Hình 2), tương thích với các thiết bị K-Alpha và Nexsa, được hút chân không trong buồng trước của hộp kín, sau đó được vận chuyển đến hệ thống XPS. Do VTM được giữ chặt bởi áp suất không khí, nó tự động mở ra trong chu kỳ bơm hút trong ngăn tải của hệ thống và do đó được tích hợp vào quy trình chuyển mẫu tự động, tiêu chuẩn.
Trong các thí nghiệm này, hai mẫu cực âm đã được phát hiện. Một mẫu là mẫu mới, chưa sử dụng; mẫu còn lại là từ một cấu trúc pin đã trải qua nhiều chu kỳ sạc-xả, và đang ở trạng thái sạc khi cấu trúc pin được tháo rời.
Kết quả
Các phổ khảo sát thu được từ các mẫu cực âm được nhận ban đầu được hiển thị trong Hình 3. Vật liệu cực âm là Li(NiₓMnᵧCo𝑧)O₂, được chuẩn bị bằng cách sử dụng một môi trường chất kết dính để giữ vật liệu lại với nhau. Chất kết dính là một hỗn hợp của các polyme chứa flo và oxy, và đối với mẫu nguyên vẹn, rõ ràng là có một lượng lớn dư lượng trên bề mặt. Điều này có thể quan trọng trong lần sử dụng đầu tiên của cực âm, nếu dư lượng chất kết dính di động trong chất điện phân, hoặc phản ứng để bắt đầu hình thành một lớp bề mặt cản trở quá trình vận chuyển ion.
Catốt tuần hoàn vẫn cho thấy sự hiện diện của chất kết dính, và cũng có bằng chứng về cặn từ chất điện phân trên bề mặt. Hình 4 cho thấy sự thay đổi trong các thành phần NMC của hai mẫu (trừ oxy). Cường độ tương đối của các thành phần Ni, Mn và Co rất giống nhau giữa hai mẫu, nhưng lượng Li được phát hiện chỉ bằng khoảng 40% lượng thấy được trong catốt ban đầu. Điều này đúng như dự kiến trong một mẫu từ một pin tích điện, trong đó quá trình vận chuyển ion Li hướng về phía anot và ra xa catot, dẫn đến mức cạn kiệt liti trong catot.
Sử dụng mô-đun chuyển giao hút chân không và Hệ thống XPS Nexsa, có thể phân tích các thành phần của pin lithium-ion. Phân tích mẫu cực dương được sử dụng và đã qua chu trình xác định sự biến đổi dự kiến trong hàm lượng lithium.
Nguồn:
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị Quang phổ quang điện tử tia X (XPS) hãng Thermo Fisher.
EN