Um grande problema ao desenvolver materiais de bateria com alta densidade de energia é a capacidade de degradação durante o ciclo. As causas da degradação da bateria incluem quebra nas partículas, retenção de lítio nos eletrodos, degradação do eletrólito, deposição de lítio e formação de dendrito. Entender esses mecanismos de degradação da bateria para diminuí-los é, portanto, uma parte importante do sucesso no desenvolvimento de novos materiais de baterias.
A difração de raios X (DRX) in-operando consegue investigar esses mecanismos de falha por meio da análise das alterações estruturais do cristal subjacente durante o ciclo da bateria. Nossa plataforma de DRX Empyrean permite aos fabricantes e desenvolvedores de baterias investigar células de baterias do tipo moeda, eletroquímicas, pouch e prismáticas com ciclos de carga e descarga in situ.
Por que minhas células degradam-se com o ciclo?
À medida que os íons de lítio positivos saem do cátodo durante um ciclo de carga, sua cela cristalina geralmente se expande por causa da repelência entre os íons de oxigênio negativos. Em alguns materiais (como NCM811), o ciclo de alta tensão também pode causar transformação em outra fase cristalina e, por sua vez, expansão abrupta da cela. Isso pode causar quebra nas partículas e, eventualmente, perda de capacidade na célula da bateria.
Da mesma forma, quando os íons de lítio entram no ânodo durante o carregamento também provocam a expansão da cela. No caso de ânodos de grafite, a estrutura da cela é alterada para LiC12 e, em seguida, para LiC6. Durante a descarga, ela volta para grafite (C). Após alguns ciclos de carga e descarga, alguns íons de lítio podem ficar mantidos no ânodo, causando uma diminuição na capacidade de descarga. No caso de materiais de ânodo alternativos, como o silício, que tem uma capacidade inicial muito maior, a expansão da cela pode ser tão intensa que a quebra nas partículas acontece rapidamente.
O DRX in-operando é capaz de investigar a estrutura cristalina dos materiais do eletrodo em uma escala atômica e, também, a maneira como ela se altera à medida que a célula é carregada e descarregada. Portanto, para qualquer desenvolvimento de novo material de bateria, a DRX in-operando oferece uma forma direta de se determinar a estabilidade dos materiais do eletrodo durante o ciclo. Em especial, a nossa plataforma de DRX Empyrean permite que fabricantes e desenvolvedores de bateria investiguem células tipo moeda, eletroquímicas, pouch e prismáticas durante o ciclo de carga e descarga in-situ.
Exemplo decicloin-operando de células de ânodo de grafite e NCM333. A linha verde na Fig. 1(a) mostra a variação da tensão da célula, de 3,2 volts em seu estado descarregado para 4,3 volts em seu estado totalmente carregado. O pico em torno de 6,8°2θ é o pico de 003 do cátodo NCM, sendo que as alterações em sua posição refletem as mudanças no parâmetro C durante o ciclo. O pico descontínuo em torno de 9°2θ é do ânodo de grafite, que muda de grafite para LiC12, voltando, em seguida, para LiC6 durante o ciclo de carga, voltando, então, para LiC12 e, depois, para grafite durante o ciclo de descarga. A Fig. 1(b) mostra a alteração no parâmetro c durante o ciclo, variando de 14.47 em um estado totalmente carregado para 14.14 em um estado descarregado.
Células pouch e eletroquímicas
Todos os tipos de células pouch que possuem, pelo menos, um lado com janela transparente para raios X podem ser estudados com a DRX Empyrean. Fornecemos um suporte para célula pouch, que pode ser usado para o ciclo de carga-descarga.
A plataforma de DRX Empyrean é compatível, também, com células eletroquímicas que têm uma janela transparente para raios X, como berílio ou carbono vítreo. Podemos fornecer essas células eletroquímicas, com a opção de aquecimento e resfriamento, que podem, então, ser montadas na plataforma de DRX Empyrean.
Fig. 2(a) Uma célula eletroquímica na plataforma de DRX Empyrean. A célula também pode ser aquecida ou resfriada para que se possa investigar a durabilidade dos ciclos em temperaturas não ambientes. A Fig. 2(b) mostra um suporte para célula-botão com conexões elétricas para montagem de células de bolso com, pelo menos, uma face com transparência para raios X.
Células pouch e prismáticas
O Empyrean é compatível com excitação de 60 kV, o que possibilita a radiação Ag de alta intensidade de 22,16 keV, necessária para pesquisa em célula pouch. De fato, as células pouch multicamada de até 5 mm de espessura podem ser analisadas pela plataforma DRX Empyrean, que vem equipada com radiação Ag e um Detector GaliPIX3D. Além disso, os espelhos especiais com foco multicamada proporcionam alta resolução e um feixe de raios X de alto brilho, diminuindo ainda mais os tempos de medição.
A Fig. 3(a) mostra a montagem de célula prismática ou tipo pouch na DRX Empyrean. Existe, também, compatibilidade com um mecanismo que aplica pressão nas células tipo pouch. A Fig. 3(b) mostra o detector GaliPIX3D de alto desempenho com sensor de CdTe possibilitando a DRXin-operandoem células tipo pouch espessas.
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