Thiết bị quang phổ quang điện tử tia X (XPS) K-Alpha đã được sử dụng để phân tích bề mặt của các điện cực pin lithium-ion. Do tính chất nhạy với không khí của các vật liệu này, mô-đun chuyển chân không K-Alpha đã được sử dụng để vận chuyển mẫu từ hộp kín đến thiết bị mà không tiếp xúc với không khí xung quanh.
Giới thiệu
Đối với một số lượng lớn ứng dụng, từ ô tô đến thiết bị điện tử di động, các hệ thống pin lithium-ion đã trở thành giải pháp lưu trữ năng lượng được lựa chọn. Các ô pin lithium ion (Li-ion) nhẹ hơn so với các công nghệ pin khác, điều này làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng vận chuyển khi kết hợp với mật độ năng lượng tương đối cao của chúng, và có thể giảm thiểu chi phí nhiều hợn. Việc cải thiện hiệu suất của các ô Li-ion, ví dụ như tăng mật độ năng lượng, giảm trọng lượng, giảm chi phí và cải thiện thời gian sạc lại, đòi hỏi phát triển các cải tiến ít nhất một trong các thành phần cốt lõi của ô, như được hiển thị trong Hình 1. Khi hoạt động, các ion Li+ di chuyển qua điện phân và màng tách từ cực âm đến cực dương. Tại cực dương, hệ số hoá về anion thay đổi, tạo ra một hợp chất có thể lưu trữ các ion lithium đang đến. Khi ô pin được sạc lại sau khi sử dụng, luồng ion di chuyển theo hướng ngược lại, và chúng được lưu trữ tại cực âm. Cực âm thường được làm từ than chì, với các ion lithium nằm giữa cấu trúc than chì.
Cực dương bao gồm một oxit kim loại lithi, thành phần chính xác của nó thay đổi tùy thuộc vào các đặc tính cần thiết của ô pin. Các vật liệu cực dương phổ biến nhất là LiCoO2 (LCO – lithi-coban), LiMn2O4 (LMO – lithi-mangan), LiFePO4 (LFP – lithi-phosphat), và Li(NiMnCo)O2 (NMC – nickel mangan cobalt). Các oxit này thay đổi trong hệ số hoá tùy thuộc vào việc ô pin được sạc hoặc xả; tức là, nếu dòng của Li+ đến hoặc đi từ cực dương.
Một sản phẩm phụ của quá trình sạc và ngắt sạc là sự hình thành của lớp màng tương tác điện phân rắn (SEI) trên cực âm. Sự hình thành và phát triển của lớp SEI cạnh tranh với quá trình nạp lithi có thể đảo ngược, và qua thời gian sử dụng của pin, sự hiện diện của SEI sẽ góp phần vào việc giảm dung lượng của ô pin. Hiểu về lớp SEI là một lĩnh vực rất quan trọng, để nó có thể được kiểm soát và từ đó cải thiện hiệu suất của ô pin. Phân tích XPS cung cấp một cách để phân tích hóa học phức tạp của hỗn hợp tạo nên lớp giao mặt pha, cho phép nhận biết các hợp chất hóa học tạo thành SEI.
Phương pháp đánh giá vật liệu điện cực của pin lithium-ion
Lithi rất nhạy với không khí và độ ẩm, do đó để phân tích các vật liệu điện cực một cách thành công, nó cần được đưa vào hệ thống XPS K-Alpha mà không tiếp xúc với không khí. Để làm điều này, các mẫu được tải vào Mô-đun Chuyển Chân Không K-Alpha (VTM) trong một hộp kín. VTM (Hình 2) được hút chân không trong buồng chạy trước của hộp kín, sau đó được vận chuyển đến hệ thống XPS. Vì VTM được giữ lại bằng áp suất không khí, nó tự động mở trong quá trình bơm chân không trong K-Alpha và do đó được tích hợp vào quy trình chuyển mẫu tự động tiêu chuẩn.
Trong các thí nghiệm này, hai mẫu cực dương đã được kiểm tra. Một mẫu là mẫu nguyên sơ, chưa sử dụng; mẫu khác là từ một ô pin đã trải qua một số chu kỳ sạc-ngắt và ở trạng thái sạc khi ô pin được tháo rời.
Kết quả
Các phổ khảo sát thu thập từ các mẫu cực dương khi nhận được được hiển thị trong Hình 3. Vật liệu cực dương là Li(NixMnyCoz)O2, được chuẩn bị bằng cách sử dụng một chất kết tổng hợp để giữ vật liệu lại. Chất kết tổng hợp là một hỗn hợp của các polymer chứa flor và oxy, và đối với mẫu nguyên sơ, nó được nhận biết dưới dạng một lượng lớn cặn trên bề mặt. Điều này có thể quan trọng trong lần sử dụng đầu tiên của cực dương, nếu cặn chất kết tổng hợp có thể di chuyển trong điện phân, hoặc phản ứng để bắt đầu hình thành một lớp bề mặt làm trở ngại cho sự di chuyển ion.
Cực dương đã trải qua chu kỳ vẫn cho thấy sự hiện diện của chất kết tổng hợp, và cũng có dấu hiệu của cặn từ dung môi điện giải trên bề mặt. Hình 4 cho thấy sự biến thiên trong các thành phần NMC của hai mẫu (loại trừ oxy). Cường độ tương đối của các thành phần Ni, Mn và Co rất tương tự giữa hai mẫu, nhưng lượng Li được phát hiện chỉ là khoảng 40% so với mẫu cực dương nguyên sơ. Điều này là như mong đợi trong một mẫu từ ô pin đã được sạc, nơi việc vận chuyển ion Li đã diễn ra từ cực dương sang cực âm, dẫn đến một mức độ lithium giảm trong cực dương.
Tóm tắt
Bằng cách sử dụng mô-đun chuyển chân không và hệ thống XPS K-Alpha, có thể phân tích các thành phần của pin lithium-ion. Phân tích các mẫu cực dương chưa sử dụng và đã trải qua chu kỳ xác định sự biến đổi của hàm lượng lithium
Nguồn: https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/MSD/Application-Notes/AN0128-XPS-electrode-materials.pdf
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị Quang phổ quang điện tử tia X hãng Thermo Fisher.
EN