V dnešním uspěchaném světě je význam přenosných elektronických zařízení nepopiratelný. Gadgety, jako jsou telefony, notebooky, chytré hodinky nebo bezdrátová sluchátka, se bezproblémově integrovaly do našich životů. Tento příběh však nekončí jen u těchto zařízení; je propojen s rozsáhlou oblastí elektromobilů, řešení pro ukládání udržitelné energie a dalšími obory.
Jak se tyto dynamické trhy vyvíjejí, Li-ion baterie se ukázaly jako klíčová technologie pohánějící tuto technologickou revoluci. Jejich nízká hmotnost, vysoká hustota energie a dobíjecí charakter změnily průmysl a umožnily vytvořit zařízení s delší výdrží, nižší hmotností a větší přenositelností. Při pohledu do budoucna představují Li-Ion baterie zásadní předpoklad pro udržitelnou dopravu a energetické systémy. Důkazem tohoto posunu je prosperující trh s elektromobily, který má do roku 2027 dosáhnout hodnoty přes 800 miliard USD. [1] Tato dynamika podtrhuje potřeba zvýšit kvalitu baterií a bezpečnost napříč spektrem, protože každá buňka hraje klíčovou roli.
Rentgenová CT analýza pro Li-Ion baterie
Použití Měření pomocí rentgenové výpočetní tomografie (CT) při analýze Li-Ion baterií se stalo nedílnou součástí jejich vývoj, kontrola kvality, a bezpečnostní posouzení. CT nám umožňuje bezpečně nahlédnout pod povrch, aniž by došlo k poškození článku, a odhalit vady, nepravidelnosti a konstrukční slabiny, které by mohly ohrozit spolehlivý výkon baterie. Nedestruktivní povaha CT nám umožňuje zkoumat baterie přímo na lince během výrobního procesu nebo sledovat jejich postupné snižování výkonu během jejich provozní životnosti. [2] [3]
Pomocí CT je možné vizualizovat článek baterie na mnoha úrovních v různých měřítkách a rozlišeních, jak je znázorněno na obrázku 2–f.od makroskopického pohledu na celou buňku až po její přeměnu na mikroskopické částice v katodě. Tento všestranný přístup umožňuje komplexní analýzu baterií, která odhaluje všechny kritické aspekty skryté v hutných součástech, jako jsou póry v obalu, vrstvení elektrod, přesahy, defekty částic nebo kontaminace, a dokonce umožňuje dokumentovat složité procesy, jako je stárnutí baterií.
Zobrazování článků baterií
Bateriový článek slouží jako základní jednotka zajišťující celkovou konstrukční integritu baterie a zároveň bezpečně obsahuje elektrody, elektrolyt a vnitřní chemickou reakci. Vzhledem k tomu, že reakce vede ke generování tepla a roztažnosti materiálu, je nutné kontrolovat uspořádání součástí baterie, utěsnění článku a uspořádání článků do modulů. Zde přichází na řadu rentgenové CT zobrazení.
CT je vhodným nástrojem pro vyšetření těchto makroskopických parametrů na škále centimetrů a milimetrů. CT dále pomáhá identifikovat jakékoli nepravidelnosti, jako je nedostatečné těsnění nebo cizí částice, které mohly do těsnění proniknout během výrobního procesu. Tato inspekce pomáhá předcházet potenciální ztrátě elektrolytu, plynu nebo jiných látek, což by mohlo vést ke snížení účinnosti baterie, bezpečnostním rizikům nebo předčasnému selhání. CT navíc umožňuje přesné měření článků, struktur svitků (jellyroll) a dalších prvků, čímž zajišťuje pečlivou přesnost výroby (viz obr. 3).
Odhalené aktivní materiály
Veškerá podstatná elektrochemie pro generování energie probíhá uvnitř článku – v aktivních vrstvách baterie. Opakující se vrstvy v podání katoda-separátor-anoda ovlivňují ukládání energie a výkon. Sběrače proudu usnadňují efektivní tok elektrického proudu mezi elektrodami a vnějším obvodem. Tyto vodivé materiály jsou strategicky umístěny na povrchu elektrod, aby zajistily efektivní procesy nabíjení a vybíjení v baterii. Všechny tyto vrstvy lze vizualizovat, vykreslit a oddělit pomocí CT techniky (viz obr. 4). Můžeme analyzovat homogenitu a distribuci aktivních vrstev v roládové struktuře (jellyroll). To zajišťuje konzistentní distribuci a ukládání energie v elektrodách a optimalizuje celkový výkon baterie.
Využitím technologie CT můžeme dále zkoumat potenciální odchylky v přesahu anody. Oblast přesahu určuje neaktivní část lithium-iontové baterie, která hraje klíčovou roli při prevenci určitých problémů, jako je vylučování lithia a tvorba dendritů. Udržování vyvážených elektrochemických procesů vyžaduje zajištění zarovnání a uniformity přesahu, čehož lze dosáhnout pomocí analýzy CT.
Kvalita samotných elektrod je nanejvýš důležitá. Vady elektrod mohou vést ke zvýšené elektrochemické impedanci a polarizaci, urychlení degradace baterie nebo dokonce ke zkratům. [5] Použití CT zobrazování umožňuje identifikaci vad elektrod (viz obr. 5) a poskytuje tak poznatky o jejich tvaru a poloze.
Navíc lze pomocí submikronové počítačové tomografie (CT) podrobně zkoumat vady a zároveň jasně rozlišit aktivní částice v katodě. Katoda má typickou porézní strukturu, která pomáhá snižovat vnitřní odpor baterie. Elektrony a ionty se mohou touto strukturou pohybovat snadněji, což zvyšuje vodivost a snižuje energetické ztráty při přenosu náboje. Výsledkem je vyšší účinnost baterie a minimalizace dopadu objemových změn, ke kterým dochází během cyklování. [6] Díky analýze dat z submikronové počítačové tomografie můžeme analyzovat objemové rozložení aktivních částic (viz obr. 6) a charakterizovat strukturu částic. Výzkumníci a výrobci tak mohou doladit složení elektrod, což v konečném důsledku vede k výkonnějším, odolnějším a spolehlivějším bateriím.
Dopad cyklování baterií
Stárnutí Li-Ion baterií je složitý proces ovlivněný několika faktory. S postupem času a opakovanými cykly nabíjení a vybíjení dochází u těchto baterií k postupnému poklesu kapacity a výkonu. Zvýšené teploty, vysoké rychlosti nabíjení a vybíjení a také hluboké vybití tento proces stárnutí urychlují. V důsledku chemických reakcí nebo rozpadu materiálu během cyklování dochází k bobtnání elektrod. Tato expanze může vést k řadě problémů, jako je narušení strukturální integrity, snížení výkonu a dokonce i bezpečnostní rizika. Řízení a zmírňování stárnutí baterií je proto nezbytné pro prodloužení životnosti a optimalizaci účinnosti Li-Ion baterií.
CT snímky mohou díky nabídce podrobného průřezového zobrazení poskytnout pohled do vnitřních změn uvnitř baterie. Dokážou odhalit strukturální deformace, posuny materiálů a plynové kapsy, které přispívají k bobtnání. Snímkováním baterií v různých fázích jejich životnosti (viz obr. 7) je možné sledovat šíření deformací a analyzovat životnost baterií.
Shrnutí
Závěrem lze říci, že CT představuje neocenitelného spojence v oblasti analýzy baterií, odhalování skrytých struktur a procesů za buněčnými stěnami. Ačkoli naše současná technologie výrazně rozšířila naše porozumění, analýza baterií pomocí CT zůstává dynamickým oborem. Zkoumání zobrazování v reálném čase, in-situ analýzy za různých podmínek a hlubší integrace s výpočetními simulacemi přinášejí vzrušující možnosti v oblasti výzkumu a pokroku baterií.
Pokud vás láká potenciál této technologie nebo chcete odhalit tajemství ukrytá ve vašich bateriích, kontakt naši odborníci nebo navštivte tato stránka abyste se dozvěděli více o našich možnostech.
Zdroje:
[1] Plně nabito. ZEISS eMobility Solutions od https://precise.zeiss.com/en/fully-charged
[2] Wu Y., Saxena S., Xing Y., Wang Y., Li C., Yung WKC, Pecht M. (2018). Analýza defektů způsobených výrobou a strukturálních deformací v lithium-iontových bateriích pomocí Výpočetní tomografie. Energie; 11(4):925. https://doi.org/10.3390/en11040925
[3] Pietsch P., Wood, V. (2017). Rentgenová tomografie pro výzkum lithium-iontových baterií: Praktický průvodce. Annual Review of Materials Research. 47. 10.1146/annurev-matsci-070616-123957.
[4] Blažek P., Guricová P., Klvač O., Břínek, A., Kazda T., Zelenka F., Zikmund T., Kaiser J. ( 2021). Víceškálová 3D analýza defektů a časového vývoje morfologie elektrod v lithium-iontových bateriích pomocí rentgenové výpočetní tomografie. ECS TRANSAKCE, s. 69 – 8, doi: 10.1149/10501.0069ecst;
[5] Qian G. a kol. (2021). Úloha strukturálních defektů v komerčních lithium-iontových bateriích, Cell Reports Physical Science, Volume 2, Issue 9, 100554, ISSN 2666-3864, https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100554.
[6] Le Houx J., Kramer D., (2021). Rentgenová tomografie pro charakterizaci elektrod lithium-iontových baterií – Přehled, Energy Reports, svazek 7, supplement 2, strany 9–14, ISSN 2352-4847, https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.02.063.