Análisis de la batería de iones de litio

Origen de las baterías

Las pilas de combustible electroquímicas se componen de tres elementos: un cátodo con carga negativa, un ánodo con carga positiva y un electrolito que crea una reacción química que mueve los electrones en un circuito. Finalmente, la química de la pila de combustible se neutraliza y se pierde el circuito. Necesitamos un proceso que permita que un circuito eléctrico invierta la química de la pila de combustible para recargarla. Esto ocurre en las baterías de plomo-ácido de 12 voltios que se encuentran en la mayoría de los automóviles, ya que una alternativa proporciona una corriente eléctrica inversa. El problema de las baterías de plomo-ácido es su tamaño, peso y material ácido. Con este fin, los investigadores han desarrollado una pila recargable más pequeña, de las cuales la batería de iones de litio es actualmente la más eficiente. Estas son las baterías que encontramos en nuestros teléfonos móviles y, cada vez más, en los vehículos eléctricos; los automóviles híbridos actuales suelen utilizar pilas de combustible recargables de hidruro metálico de níquel).

Varias baterías

Componentes de la batería de iones de litio

Cuando se descarga una pila de combustible de iones de litio, los iones de litio cargados positivamente se mueven desde un electrodo negativo (ánodo), normalmente grafito (C6), a un electrodo positivo (cátodo) que forma un compuesto de litio con óxido de cobalto (LiCoO2). Durante la carga, ocurre lo contrario y el grafito atrae iones de litio para formar LiC6. Ambos electrodos permiten que los iones de litio entren y salgan de sus estructuras a través de un electrolito y un diafragma separador.

Si bien las baterías de iones de litio han permitido mejorar las propiedades de carga/recarga de las baterías, los proveedores de baterías y los académicos están llevando a cabo una investigación considerable para mejorar la densidad de energía que transportan las celdas, las temperaturas de funcionamiento y la seguridad. También están trabajando para aumentar la vida útil y disminuir los tiempos de carga, al tiempo que eliminan los costosos materiales de cobalto.

Técnicas de análisis de baterías de iones de litio

Cada componente de la pila de combustible es una construcción de materiales de ingeniería. En el caso de las baterías más pequeñas que se encuentran en la microelectrónica, estas características son bastante pequeñas. Afortunadamente, los científicos de materiales tienen a su disposición una serie de técnicas analíticas para caracterizar las pilas de combustible de iones de litio (LiO) a granel, a escala microscópica y multicapa. Cada técnica proporciona una visión específica de la composición y construcción de las pilas de combustible de LiO, formando un enfoque holístico para crear pilas más eficientes y mejorar el control de calidad.

Incluso el material más puro para las pilas de combustible de LiO puede contener impurezas que merman el rendimiento de la batería, como partículas de diversos tamaños, formas y distribuciones compuestas de cromo, hierro, cobre o níquel que pueden interrumpir el flujo eléctrico de la pila de combustible, llegando incluso a provocar cortocircuitos internos.

Microscopio electrónico de barrido

Para el control de calidad, nuestro microscopio electrónico de barrido Phenom ParticleX de sobremesa (SEM) con espectroscopia de dispersión de energía (EDS) integrada automatiza la capacidad de localizar, estudiar la distribución y caracterizar la morfología de las partículas contaminantes en las muestras. Con el EDS, el SEM ParticleX permite a los especialistas en control de calidad identificar la composición elemental y química de la partícula para realizar un análisis de la causa raíz de la contaminación, como la localización de la fuente del contaminante en el flujo de trabajo de producción. La automatización de ParticleX ofrece la posibilidad de preparar lotes de muestras para analizarlos durante la noche, utilizando un proceso de paso y repetición para examinar microscópicamente filtros estándar de la industria con el fin de localizar, medir y clasificar cualquier partícula contaminante para tomar medidas correctivas.

Microscopía Raman

La microscopía Raman, que combina la espectroscopia vibratoria con la microscopía óptica, examina la química y la estructura de las pilas de combustible de LiO a escala micrométrica. El Raman revela información sobre la composición molecular y las estructuras cristalinas de los materiales. Un microscopio Raman puede examinar las capas de un material sin destruir la muestra, guardándola para su posterior análisis mediante otras técnicas. El software de imágenes permite al investigador crear un mapa químico de un área de la muestra, anotando los cambios estructurales y químicos e identificando los contaminantes. El Raman también es una técnica valiosa para identificar materiales carbonosos como el grafito y el grafeno, que pueden desempeñar un papel en las pilas de combustible.

Nuestro microscopio Raman DXR3xi aprovecha las ventajas de unas cámaras de muestreo especiales que permiten al investigador transferir componentes de LiO de una caja de guantes al microscopio sin oxidar la muestra ni alterar su composición química. También utilizamos una celda de prueba electroquímica especializada que permite al investigador observar los cambios químicos durante los ciclos de carga y descarga.

Microtomografía computarizada

Dado que la química y la estructura del combustible cambian durante los ciclos de carga y recarga, la capacidad de observar la pila en tres dimensiones resulta inestimable. La microtomografía computarizada (MicroCT) utiliza rayos X para seccionar materiales de forma no destructiva y recrear un modelo 3D del material. Nuestro sistema HeliScan MicroCT utiliza una avanzada tecnología de escaneo helicoidal y reconstrucción iterativa para producir una imagen en 3D a nivel de la pila de combustible. MicroCT puede ser un paso inicial en un flujo de trabajo multiescala y multimodal que avanza a través de imágenes de mayor resolución con un microscopio electrónico de barrido/haz de iones enfocado hasta el análisis a escala atómica en un microscopio electrónico de transmisión.

Microscopio electrónico de barrido de haz de iones enfocado (FIB-SEM)

Al observar los componentes individuales de la célula, los instrumentos DualBeam (FIB-SEM) proporcionan caracterizaciones altamente localizadas de los materiales al combinar la modificación precisa de la muestra de un haz de iones focalizado (FIB) con la imagen de alta resolución del SEM. Esta técnica es ideal para estudiar muestras de cátodos y ánodos para proporcionar una distribución de volumen de representación, cuantificación microestructural y características tales como agrietamiento de partículas, límites de fase y distribución de aglutinantes alrededor de materiales electroquímicos a escala de componentes y partículas.

Software para el análisis de baterías de iones de litio

Nuestro software Avizo proporciona técnicas avanzadas de procesamiento y segmentación de imágenes que resultan ideales para esta obtención de imágenes 3D a múltiples escalas. A nivel macro, el software Avizo puede utilizarse para evaluar fugas, porosidad o delaminación. También puede examinar los procesos de envejecimiento mediante el control de la calidad de la lámina, el cátodo y el ánodo. A nivel microscópico, el software Avizo permite estimar la tortuosidad y la permeabilidad del electrodo poroso y del separador. Los parámetros de transporte efectivos y el rendimiento de la celda pueden analizarse más a fondo con simulaciones de rendimiento electroquímico, así como con la cuantificación del límite de triple fase (TPB), la distribución de fases y la conectividad.

Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X

La espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) mide la señal de los fotoelectrones energizados en el sistema XPS, que son más débiles en energía que las señales de otras técnicas y proporcionan información sobre superficies y capas de tan solo unos pocos nanómetros de espesor. Esto permite a los investigadores estudiar cómo se forman las especies en las interfaces de la composición del material.

Los sistemas XPS de Thermo Scientific son útiles para comparar cátodos y ánodos usados y sin usar, y pueden caracterizar metales, oxígeno y carbono, materiales aglutinantes y cualquier material electrolítico en la superficie de un electrodo. En un experimento reciente de XPS, la comparación de los elementos principales (Mn, Co, Ni) mostró poca diferencia entre los cátodos sin carga y los cargados. Sin embargo, el examen del cátodo usado reveló una reducción considerable de litio en la muestra usada. Este experimento cuantificó la migración electroquímica del litio desde el cátodo al ánodo después de la carga.

Al igual que los microscopios electrónicos, los sistemas XPS pueden equiparse con una fuente de iones que se adentra en el interior de la muestra. Al comparar un material de ánodo fabricado con un ánodo envejecido, vemos que con el envejecimiento la interfaz superficial entre los elementos del ánodo ha evolucionado hasta convertirse en la mayor parte del material, incluyendo una acumulación de compuestos que contienen halógenos, lo que podría indicar la acumulación de SEI o la descomposición del material aglutinante.

Al observar capas y superficies de solo unas pocas capas de átomos, es probable que el uso de un haz de iones para fresar la muestra cambie la estructura o la química de la muestra. Mientras que las herramientas estándar de fresado iónico utilizan iones de argón para grabar un material, instrumentos como nuestro sistema K-Alpha XPS incluyen una fuente de iones monoatómicos. Esta fuente de iones utiliza grupos de iones de argón de baja energía (1 eV – 100 eV) que provocan una penetración superficial mínima, lo que mitiga el daño a la química de la superficie. La fuente de iones monoatómicos MAGCIS incluye grandes grupos de argón que son ideales para grabar materiales orgánicos que se encuentran en las capas de una pila de combustible, y pequeños grupos para interrogar óxidos metálicos y metales alcalinos.

Técnicas de iones de grupos de gas para el análisis de baterías

Las técnicas de iones de racimo de gas permiten investigar nuevos materiales candidatos para pilas de combustible, como el oxinitruro de litio y fósforo (LiPON) en capas sobre un sustrato de Si, que se alteraría químicamente mediante el grabado iónico tradicional. La XPS con haz de iones de racimo también es útil para comprender las reacciones interfaciales relacionadas con la capa de interfase de electrolito sólido (SEI) en las pilas de LiO. La función de la capa SEI consiste en evitar una mayor descomposición del electrolito para mantener la capacidad de ciclado. Los estudios han demostrado que se ha descubierto que añadir un recubrimiento de espesor subnanométrico inhibe la velocidad de crecimiento de la capa SEI en las superficies de los electrodos.

Para ayudar a los fabricantes e investigadores de baterías de iones de litio a comprender las capacidades analíticas que ofrece Thermo Fisher, recientemente realizamos una presentación web que cubre muchas de las técnicas destacadas en este artículo.