Компьютерная рентгеновская дифракционная томография для структурного анализа электродных материалов в батареях

Методы и материалы
Мы применили метод дифракции рентгеновских лучей КТ к никель-металлогидридной батарее, чтобы продемонстрировать эффективность этого метода в идентификации отдельных компонентов сложной системы. Эти цилиндрические коммерческие клетки содержат положительный электрод Ni (OH)2, сепаратор и металлический сплав, отрицательные электроды которого скручены в виде спирали и содержатся в стальном корпусе. Разряженную цилиндрическую Ni / MH батарею от Sanik помещали вертикально в пучке и проводили горизонтальное сканирование с помощью компьютерной томографии. Восстановленные данные КТ дали полную картину рассеяния с каждого отдельного пикселя в горизонтальном сканировании, что позволяет нам создавать пространственные картины интенсивности рассеяния из разных точек в пространстве Q. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображений LiCoO2 частицы показана на рисунке 1.
Примеры реконструированных дифракционных картин показаны на рисунке 2 из двух разных мест в аккумуляторе.
Также мы обнаружили, что кристаллическая текстура, важный фактор электрохимических характеристик, изменяется в зависимости от положения катода LiCoO2 в литий-ионной батарее. Представленные здесь результаты и наблюдения прокладывают путь к оперативным исследованиям коммерческих аккумуляторных батарей, которые позволят получить количественную картину структурных изменений, происходящих в отельных компонентах, и их пространственное распределение в реальных условиях. На рисунке 3 показаны данные, собранные в течение циклического Ni-MH ячейки.

Выводы
Использование XRD-CT для исследования компонентов литий-ионных и никель-металлогидридных батарей на месте представляет собой ступенчатое изменение в том, как мы можем получить количественные данные о сложных системах с большим количеством различных активных компонентов. Метод XRD-CT обеспечивает высокий уровень структурной и текстурной детализации, а также наблюдение за деталями конструкции элемента (например, наклонным катодом) без необходимости в специальной конструкции элементов батареи. Мы устанавливаем природу катодной пленки внутри элемента батареи неразрушающим образом, раскрывая силу этой технологии для получения полной структурной информации. Продемонстрировав возможности этого метода, мы намерены продолжать наши исследования, , чтобы включить возможности Ct-PDF и в операционные измерения функционирования электродов функционирующих литий-ионных электродов для изучения изменений, происходящих в нано- масштабе, что будет иметь большое значение для объяснения пространственно неоднородных структурных различий, происходящих во время циклической работы.
 

Введение
В последнее время методы динамической рентгеновской компьютерной томографии (КТ) стали прекрасными инструментами для изучения микроструктурных изменений и построения количественной картины в масштабе частиц. На сегодняшний день методы КТ требуют проектирования и изготовления специализированных элементов питания. Исследования химических и структурных изменений в коммерческих устройствах, использование методов пространственного разрешения, количественных, неразрушающих методов являются весьма желательными, так как это может обеспечить способ для исследования электродных реакций на месте как можно более реалистично.

Список литературы
1. Y. Liu, H. Pan, M. Gao, and Q. Wang, J. Mater. Chem., 21, 4743 (2011).
2. A. K. Shukla, S. Venugopalan, and B. Hariprakash, J. Power Sources, 100, 125 (2001).
3. G. S. Nagarajan and J. W. Van Zee, J. Power Sources, 70, 173 (1998).
4. S. D. M. Jacques, M. Di Michiel, A. M. Beale, T. Sochi, M. G. O’Brien, L. Espinosa-Alonso, B. M. Weckhuysen, and P. Barnes, Ang. Chem. Int. Ed., 50, 10148 (2011).

Рисунок 1. SEM микрофотографии LiCoO2 частицы, используемые в качестве положительного электрода для геометрии монеты клеток. Изображения на разных увеличениях показывают большие размеры частиц без видимой предпочтительной ориентации.

Рисунок 2. Примеры реконструированных дифракционных картин от двух различных положений в батарее. Для ясности, только низкий Q-область данных показана. Черная линия показывает реконструкцию от края батареи Ni / MH, показывая дифракцию из стали. Красная линия показывает картину, полученную из катода (с четкими брэгговскими пиками из Ni (OH) 2). Ошибки реконструкции наблюдаются в структуре катода на пике стали позиции.

Рисунок 3. Данные, собранные в течение циклического Ni-MH ячейки: А (I) суммируется интенсивность в Q-диапазоне от 20 до 23 Å-1; (II) интенсивность при Q=1,36 Å-1, представляющая фазу катода; (III) Интенсивность при Q= 1,64 Å-1, представляющий фазу анода; (IV) интенсивность при Q=3,09 Å-1, представляющий сталь; (V) интенсивность при Q= 1,40 Å-1, представляющий любой аморфный компонент. (Б) Схема ячейки для монет сборки. (С) Данные, собранные для монет ячейки сканирований через слои 1 до 4 (т.е. от нижней части катода до сепаратора). A1-A4: карта интенсивности при Q= 3,08 Å-1, что указывает на дифракцию из стали. B1-B4: интенсивность при Q= 1,33 Å-1, показывающая дифракцию из LiCoO2 в слое 1-4. С1-С4: интенсивность Q= 1,74 Å-1.


Рисунок 4. (А) Интенсивность LiCoO2 (003) пик, который определяется путем подгонки кривой Гаусса. (Б) интенсивность суммируютса в регионе 20 Å-1 до 23 Å-1, где не наблюдается брэгговской дифракции.

На рисунке 5. (А) азимутальной распределение интенсивности в пике 003 исходного кадра данных. (Б) участок реконструированной интенсивности по сравнению с азимутальным углом. Интенсивность была оснащена гауссовой функцией, чтобы определить ширину пика. (С) Карта азимутальной ширины пика в 2 слоя. Узкие значения ширины пика показывают высокую степень предпочтительной ориентации, как видно желтыми и зелеными зонами.