Billeddannelse af sekventielle potentielle fordelingsændringer i elektroder under opladning/afladning

NIMS er lykkedes for første gang at visualisere sekventielle ændringer i elektrisk potentialefordeling på tværs af en sammensat elektrode under ladnings-/afladningsreaktioner i lithiumionbatterier med fuldstændig tilstand. Denne fordeling var tidligere kun målbar før og efter forekomsten af ​​ladnings-/udladningsreaktioner. Mikroskopisk forståelse af ladnings-/afladningsreaktionsmekanismer i elektroder kan lette designet af nye enheder, der er i stand til at forbedre ydeevnen for alle solid-state lithium-ion-batterier.

Lithium-ion-batteriet i hel-tilstand er en lovende næste generations batterikandidat på grund af dets fremragende sikkerhed og cykliske egenskaber. Dens ydeevne skal forbedres yderligere, før den kan tages i brug. Årsagerne til ydelsesforringelse skal identificeres ved tæt analyse af elektrokemiske reaktioner, der forekommer i elektroder under ladning og afladning. I 2016 udviklede dette forskerhold en teknik, der muliggjorde in situ observation af elektriske potentielle ændringer i elektroder ved høj rumlig opløsning. Imidlertid, der var stor interesse for udviklingen af ​​nye teknikker, der ville muliggøre mere detaljerede analyser:sekventiel (dynamisk) måling af ændringer i elektrisk potentialefordeling på tværs af en elektrode under ladning/afladning.

Dette forskergruppe har for nylig udviklet en ny teknik, der er i stand til at visualisere sekventielle (dynamiske) ændringer i elektrisk potentialfordeling i batterier ved at kombinere et elektrokemisk målesystem med tidligere udviklede teknikker (in-situ Kelvin sondekraftmikroskopi og en teknik, der bruges til at forberede tværsnitsbatteri prøver). Holdet brugte derefter denne nye kombinerede teknik til at observere ladnings-/afladningsreaktioner i aktion inden for sammensatte katoder i lithium-ion-batterier med fuldstændig tilstand (eksperimentelle prøver leveret af Taiyo Yuden Co., Ltd.). Som resultat, teamet fandt ud af, at ladningsreaktioner strækker sig ujævnt over den sammensatte katode fra den nuværende kollektorside til anodesiden, der henviser til, at udladningsreaktioner spredes jævnt over katoden. Disse resultater indikerer dannelsen af ​​et utilstrækkeligt elektronisk ledende vejnet i den sammensatte katode under en ladningsproces.

Teknikken udviklet i denne forskning kan anvendes til en række forskellige batterivurderinger, herunder grundig analyse af årsagerne til batteriforringelse, som har været vanskelige at fastslå ved hjælp af konventionelle elektrokemiske målinger. Denne teknik kan hjælpe batteriudviklere med at optimere batteristrukturer og designe batterier med højere ydelse.