Batterieforschung
Einblicke in die Funktionsweise von Energiespeichermaterialien
Anwendungen im Bereich der Energieerzeugung und -speicherung erfordern einige der komplexesten Materialentwicklungsinitiativen der Gegenwart, um die Ziele hinsichtlich Effizienz und Zuverlässigkeit zu erreichen. Heutzutage werden viele unserer elektronischen Geräte, von Laptops bis hin zu Smartphones, mit wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) betrieben, die bald auch in vielen anderen Bereichen Einzug halten könnten. Dazu gehört, durch die laufende Entwicklung und steigende Verbreitung von Elektrofahrzeugen, auch der Transportsektor. Es werden ständig neue Materialien entwickelt, die die Art und Weise, wie wir Energie gewinnen, übertragen und speichern, verändern.
Die Leistung jeder Batterie, ob in Bezug auf ihre Kapazität, Lebensdauer oder Energiedichte, hängt letztlich von den spezifischen Eigenschaften der Materialien ab, aus denen Anode, Kathode, Elektrolyt und SEI bestehen. Bruker hat eine umfassende Reihe von Charakterisierungstechniken entwickelt, die es Wissenschaftlern ermöglichen, die physikalischen und chemischen Eigenschaften, die Leistung und die Stabilität aller Batteriekomponenten und der vollständig zusammengesetzten Batteriezellen zu verstehen und zu optimieren.
Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie Rasterkraftmikroskopie, FTIR-Spektroskopie, nanomechanische Tests, Röntgendiffraktion, Raman-Mikroskopie, Röntgenmikroskopie und Röntgenspektroskopie Einblicke in die Funktionsweise von Energiespeichermaterialien geben.
In-situ-Charakterisierung
Untersuchung von gelösten Komponenten und Elektrode
Forscher können in-situ den elektrochemischen Prozess in den gelösten Komponenten und Elektroden eines Labor-Batteriemodellsystems überwachen. Diese Modellsysteme stellen keine fertigen Batterieprodukte dar. Aber man hat die Möglichkeit, die Anoden- und Kathodenmaterialien, die Elektrolytzusammensetzung, die Temperatur usw. während eines programmierten Spannungszyklus aufeinander abzustimmen. Die FTIR-Spektroskopie wird mit der elektrochemischen Reaktion synchronisiert. Als Ergebnis werden IR-Spektren über die Zeit / das Potenzial aufgenommen. Die Kombination von FTIR-Spektroskopie mit Elektrochemie bietet neben der elektrochemischen Reaktion des Experiments auch Einblicke in die molekulare Veränderung und den Reaktionsprozess der untersuchten Moleküle.
Verfolgen des Verhaltens der Batteriezellen während des Zyklus
Während des Ladens/Entladens verändern sich Kathode und Anode jeder Batteriezelle stetig, z. B. durch das Einbringen von Li-Kationen. Mit der Röntgendiffraktion (XRD) können sowohl die wechselnde Phasenzusammensetzung als auch die Entwicklung der Kristallstruktur gleichzeitig verfolgt werden. Dies ermöglicht es den Forschern, neue Energiespeichermaterialien auf atomarer Ebene zu verstehen, die Reaktionen, die während des Zyklus auftreten, zu verfolgen und das Degradationsverhalten zu überwachen, um die Leistung von Batterien zu verbessern.
Unsere Röntgendiffraktometer unterstützen Sie bei Ihrer Erforschung und Entwicklung von Batteriematerialien, von der Ex-situ-Analyse isolierter Kathoden- und Anodenmaterialien bis hin zur In-operando-Untersuchung voll funktionsfähiger Coin- und Pouch-Zellen.
Beobachtung des Li-Dendriten-Wachstums in-situ
Das Wachstum von Lithium-Dendriten ist eines der größten Probleme, das die Sicherheit von Li-Ionen-Batterien betrifft. Die Untersuchung der Anfangsstadien des Dendritenwachstums ist jedoch aufgrund der reaktiven und zerbrechlichen Beschaffenheit von Lithiumverbindungen schwierig, insbesondere wenn das Wachstum an der SEI untersucht wird.
Mithilfe der elektrochemischen Rasterkraftmikroskopie kann die morphologische Entwicklung der Elektrodenoberfläche unter Potenzialkontrolle nachvollzogen werden. Diese Experimente zeigen unterschiedliche Li- Abscheidungen auf Graphit für verschiedene Elektrolyte, was ein tieferes Verständnis des zugrundeliegenden Mechanismus des Dendritenwachstums in Li-Batterien ermöglicht.
Festkörper-NMR-Sonden für die In-situ-Forschung an Energiespeichermaterialien
Die In-situ-Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) kann wertvolle Einblicke in die Struktur, Dynamik und elektrochemischen Eigenschaften von Batteriematerialien liefern. Sie ermöglicht es Forschern, das Verhalten von Materialien während des Batteriebetriebs zu untersuchen, was bei der Entwicklung neuer und verbesserter Batteriedesigns hilfreich sein kann.
Beispielsweise kann die In-situ-NMR-Spektroskopie verwendet werden, um das Verhalten der Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien während der Lade- und Entladezyklen der Batterie zu untersuchen. Diese Informationen können verwendet werden, um die Leistung der Batterie zu optimieren und mögliche Probleme zu identifizieren, die während des Betriebs auftreten können.
Darüber hinaus kann die In-situ-NMR-Spektroskopie auch verwendet werden, um die Abbaumechanismen von Batteriematerialien im Laufe der Zeit zu untersuchen. Dies kann bei der Entwicklung robusterer und langlebigerer Batterien hilfreich sein.
Insgesamt ist die In-situ-Festkörper-NMR-Spektroskopie ein leistungsstarkes Werkzeug für die Batterieforschung und -herstellung, da sie ein besseres Verständnis der grundlegenden Prozesse ermöglicht, die die Batterieleistung bestimmen, und dazu beitragen kann, die Entwicklung von Batterietechnologien der nächsten Generation voranzutreiben.
Ex-situ- und Fehleranalyse
Untersuchung elektrochemischer Nebenreaktionen durch Laserdesorptions-/Ionisationsbildgebung
In den aufstrebenden Gebieten der elektroorganischen Synthese und Batterieforschung stellen elektrochemische Nebenreaktionen auf der aktiven Oberfläche von Elektroden eine große Herausforderung für Effizienz und Reproduzierbarkeit dar.
Häufig wird die unerwünschte Polymerisation einer oder mehrerer Verbindungen auf der aktiven Oberfläche von Elektroden beobachtet. Diese Polymere neigen dazu, an der Elektrode zu adsorbieren, was zu einer Passivierung der aktiven Oberfläche führt, was oft als „Elektrodenfouling“ bezeichnet wird.
Die massenspektrometrische Bildgebung mit dem timsTOF fleX ermöglicht die Identifizierung und die ortsaufgelöste Visualisierung der adsorbierten Nebenprodukte. Daher ermöglicht die timsTOF fleX-basierte Bildgebung die Untersuchung von Elektrodenfouling und liefert wertvolle Einblicke in elektrochemische Reaktionswege.
Erhöhung der Batteriesicherheit
Mechanische Beschädigungen, wie z. B. Sprödbruch der Elektroden und Durchdringung des Separators, können zu einer drastischen Freisetzung der gespeicherten Energie bis hin zu Batteriebränden führen. Darüber hinaus stellen das Versagen von Beschichtungen, mechanisch (oder durch Ionen) induzierte Quellung und Versteifung, Spannungen bei der Herstellung sowie mechanische Spannungen und Schäden durch mehrfache Lade-Entlade-Zyklen erhebliche Herausforderungen für die Entwicklung und Integration neuer Geräte dar. Daher ist es sowohl aus Sicherheits- als auch aus Leistungsgründen notwendig zu verstehen, wie sich diese Geräte mechanisch verhalten, einschließlich jeder Komponente in der entsprechenden Größe.
Die nanomechanische Prüfung von Batteriematerialien bietet eine quantitative Charakterisierung für neue Materialien und tiefere Einblicke zur Verbesserung der mechanischen Leistung.
Kohlenstoffanalyse in flexiblen Elektroden
Batterien mit auf LiFePO4 (LFP) basierenden Kathoden sind bekanntermaßen sehr sicher und weisen kein Risiko eines thermischen Durchgehens auf, haben jedoch eine geringe elektrische Leitfähigkeit, was die Leistung bei hohen Lade-/Entladeraten einschränkt. Eine sehr dünne Kohlenstoffschicht auf den LFP-Partikeln kann die Leitfähigkeit verbessern. Die anodische Stabilität von kohlenstoffbeschichteten Kathodenmaterialien kann mit Raman-Spektroskopie untersucht werden, wodurch die Homogenität der Beschichtung nachgewiesen werden kann.
Alle Komponenten einer Batterie wie Anoden-/Kathodenmaterialien und Elektrolyte können mit einer sehr hohen lateralen Auflösung mittels Raman-Mikrospektroskopie sowohl ex- als auch in -situ analysiert werden. In Batterien wird häufig Kohlenstoff verwendet. Raman-Spektren können zur Unterscheidung seiner Allotrope verwendet werden und liefern weitere Informationen wie die Störstellenkonzentration.
Magnetresonanztechnologien werden in der Batterieforschung und -produktion häufig eingesetzt
Die Magnetresonanztechnologie ist ein wertvolles Werkzeug für die Batterieindustrie, da sie es Forschern ermöglicht, tiefgreifende Einblicke in die chemischen und physikalischen Prozesse zu gewinnen, die die Batterieleistung bestimmen. Diese Technologie kann auch effektiv in der Wertschöpfungskette und Lieferkette der Batterieherstellung eingesetzt werden, um die gleichbleibende Qualität von Batteriekomponenten und -materialien, einschließlich Elektroden, Elektrolyten und Separatoren, sicherzustellen. Darüber hinaus kann sie verwendet werden, um Batterieproduktionsprozesse zu überwachen und etwaige Defekte oder Inkonsistenzen zu identifizieren, die die Batterieleistung oder -sicherheit beeinträchtigen könnten. Durch den Einsatz der Magnetresonanztechnologie können Batteriehersteller ihre Produktionskapazitäten verbessern und effizientere, langlebigere und kostengünstigere Batterielösungen entwickeln, die den wachsenden Anforderungen des Marktes gerecht werden.
Ganz gleich, ob Sie Batteriehersteller oder Forscher sind, Magnetresonanz kann dazu beitragen, Innovationen in der schnelllebigen Welt der Batterieforschung und -herstellung zu erzielen.
Überprüfen Sie die strukturelle Integrität und erforschen Sie die Mikrostruktur von Elektroden
Röntgenmikroskopie ermöglicht die zerstörungsfreie Visualisierung der inneren 3D-Struktur von Batterien und Brennstoffzellen. XRM ist daher ein großartiges Werkzeug, um Fehlermechanismen zu verstehen, indem die interne Ausrichtung von Komponenten wie die Elektrodentrennung über die Batterielebensdauer oder in Stresstests überwacht wird.
Die Elektrodenmikrostruktur moderner Hochleistungsbatterien wie Li-Ionen-Batterien beeinflusst wesentliche Eigenschaften wie Zykluslebensdauer und Kapazität maßgeblich. Daher werden viele Anstrengungen unternommen, um die Verarbeitungsparameter sorgfältig zu optimieren, um die beste Akkuleistung herauszukitzeln. XRM als Multiskalen-Analyseverfahren unterstützt die fortschrittliche Batterieforschung, da es die Mikrostruktur der einzelnen Anoden- und Kathodenschichten mit hoher Auflösung aufzeigen kann.
Element-Mapping in Blei-Säure-Batterieelektroden
Blei-Säure-Batterien (Akkumulatoren) sind wiederaufladbare Geräte zur Speicherung von elektrischer Energie, die durch elektrochemische Prozesse erzeugt wird. Die Batterien bestehen aus Elektroden aus Blei (Pb) und Bleidioxid (PbO2) und verdünnter Schwefelsäure (37 % H2SO4) als Elektrolyt. Während der Entladung von Blei-Säure-Batterien bildet sich auf den Elektroden sehr fein verteiltes Bleisulfat (PbSO4). Dieser Prozess wird durch das Wiederaufladen rückgängig gemacht. Unter bestimmten Bedingungen können sich jedoch auch permanente Ablagerungen auf den Elektroden bilden. Von WDS aufgenommene Röntgenelementkarten sind ideal zur Untersuchung der Art und räumlichen Verteilung von Sulfatierungsablagerungen, die zu einem Batterieausfall führen.
