Visualisering af funktionelle komponenter for at karakterisere optimale kompositelektroder

Forskere har udviklet en visualiseringsmetode, der vil bestemme fordelingen af ​​komponenter i batterielektroder ved hjælp af atomkraftmikroskopi. Metoden giver indsigt i de optimale forhold for kompositelektroder og bringer os et skridt tættere på at kunne fremstille næste generations hel-solid-state batterier.

Lithium-ion-batterier bruges i vid udstrækning i smarte enheder og køretøjer. Imidlertid, deres antændelighed gør dem til et sikkerhedsproblem, som følge af potentiel lækage af flydende elektrolytter.

All-solid-state lithium-ion-batterier er dukket op som et alternativ på grund af deres bedre sikkerhed og bredere elektrokemiske stabilitet. På trods af deres fordele, all-solid-state lithium-ion-batterier har stadig ulemper såsom begrænset ionledningsevne, utilstrækkelige kontaktflader, og høj grænseflade modstand mellem elektroden og fast elektrolyt.

For at løse disse problemer, undersøgelser er blevet udført på kompositelektroder, hvori lithium-ion-ledende additiver er spredt som et medium for at give ion-ledende baner ved grænsefladen og øge den samlede ioniske ledningsevne.

Det er meget vigtigt at identificere formen og fordelingen af ​​de komponenter, der bruges i aktive materialer, ionledere, bindemidler, og ledende tilsætningsstoffer på en mikroskopisk skala til markant forbedring af batteridriftsydelsen.

Den udviklede metode er i stand til at skelne regioner af hver komponent baseret på detekteret signalfølsomhed, ved at bruge forskellige former for atomkraftmikroskopi på multiscale basis, herunder elektrokemisk belastningsmikroskopi og lateral kraftmikroskopi.

For dette forskningsprojekt, både konventionelle elektroder og kompositelektroder blev testet, og resultaterne blev sammenlignet. Individuelle regioner blev skelnet, og nanoskala-korrelation mellem ionreaktivitetsfordeling og friktionskraftfordeling inden for en enkelt region blev bestemt for at undersøge effekten af ​​fordelingen af ​​bindemiddel på den elektrokemiske stamme.

Forskerholdet undersøgte den elektrokemiske belastningsmikroskopi amplitude/fase og lateral kraft mikroskopi friktionskraft afhængighed af AC-drevspændingen og spidsbelastningskraften, og brugte deres følsomheder som markører for hver komponent i den sammensatte anode.

Denne metode giver mulighed for direkte multiscale observation af den sammensatte elektrode i omgivelsestilstand, skelne mellem forskellige komponenter og måling af deres egenskaber samtidigt.

Hovedforfatter Dr. Hongjun Kim sagde, "Det er nemt at forberede testprøven til observation, mens den giver meget højere rumlig opløsning og intensitetsopløsning for detekterede signaler." Han tilføjede, "Metoden har også fordelen ved at levere 3-D overflademorfologi-oplysninger til de observerede prøver."

Professor Seungbum Hong fra Institut for Materialevidenskab og Teknik sagde:"Denne analytiske teknik ved hjælp af atomkraftmikroskopi vil være nyttig til kvantitativt at forstå, hvilken rolle hver komponent i et kompositmateriale spiller i de sidste egenskaber."

"Vores metode vil ikke kun foreslå den nye retning for næste generations all-solid-state batteridesign på multiskala basis, men også lægge grundlaget for innovation i fremstillingsprocessen af ​​andre elektrokemiske materialer."