Röntgendiffraktion im laufenden Betrieb

Wenn positive Lithium-Ionen während eines Ladezyklus aus der Kathode austreten, dehnt sich das Kristallgitter in der Regel aufgrund der Abstoßung zwischen den negativen Sauerstoffionen aus. Bei einigen Materialien (z. B. NCM811) können Hochspannungszyklen auch zu einer Transformation in eine andere kristalline phase und damit zu einer abrupten Gitterausdehnung führen. Dies kann zum Aufbrechen der Partikel und schließlich zu einem Kapazitätsverlust der Batteriezelle führen.

Wenn während des Ladenvorgangs Lithium-Ionen in die Anode gelangen, führt dies gleichermaßen zu einer Ausdehnung des Gitters. Bei Graphitanoden ändert sich die Gitterstruktur zu LiC12 und dann zu LiC6. Während der Entladung kehrt sie wieder zu Graphit (C) zurück. Nach einigen Lade-/Entladezyklen können einige Lithium-Ionen in der Anode verbleiben, was zu einer Verringerung der Entladekapazität führt. Bei alternativen Anodenmaterialien wie Silizium mit einer viel höheren Anfangskapazität kann die Gitterausdehnung so stark sein, dass es schnell zum Aufbrechen der Partikel kommt.

Mit der Röntgendiffraktion im laufenden Betrieb kann die kristalline Struktur von Elektrodenmaterialien auf atomarer Ebene untersucht werden, und es kann untersucht werden, wie sie sich verändert, wenn die Zelle geladen oder entladen wird. Bei jeder Entwicklung von neuem Batteriematerial bietet die Röntgendiffraktion im laufenden Betrieb daher eine einfache Möglichkeit, die Stabilität der Elektrodenmaterialien beim Laden und Entladen zu bestimmen.  Insbesondere ermöglicht unsere Empyrean XRD-Plattform Batterieherstellern und -entwicklern die Untersuchung von Knopfzellen, elektrochemischen Zellen, Pouch-Bag-Zellen und prismatischen Zellen anhand von In-situ-Lade-/Entladezyklen.

Beispiel fürLade-/Entladezyklen im laufenden Betrieb von NCM333 und Graphit-Anodenzellen. Die grüne Linie in Abb. 1(a) zeigt die Spannungsänderung der Zelle zwischen 3,2 Volt im entladenen Zustand und 4,3 Volt im vollständig geladenen Zustand. Der Röntgenreflex um 6,8°2θ ist der 003-Reflex der NCM-Kathode, und sein sich verändernde Position spiegelt Änderungen des Gitterparameters während der Ladezyklen wider. Der zeitlich auftertende Peak um 9°2θ stammt von der Graphitanode, die während des Ladezyklus von Graphit in LiC12 und dann in LiC6 übergeh und dann während des Entladezyklus zurück in LiC12 und schließlich wieder in Graphit übergeht. Abb. 1(b) zeigt die Änderung des c-Parameters während der Ladezyklen – von 14,47 im vollständig geladenen Zustand zu 14,14 im entladenen Zustand.

Knopfzellen und elektrochemische Zellen

Alle Arten von Knopfzellen, die mindestens eine Seite mit röntgendurchlässigem Fenster aufweisen, können auf der Empyrean XRD-Plattform untersucht werden. Wir bieten einen speziellen Knopfzellenhalter an, der für den Lade-/Entladezyklus verwendet werden kann.
Die Empyrean XRD-Plattform unterstützt auch elektrochemische Zellen mit einem röntgendurchlässigen Fenster, z. B. aus Beryllium oder Glaskohlenstoff. Wir können diese elektrochemischen Zellen mit der Option für Heizung und Kühlung bereitstellen, die dann auf der Empyrean XRD-Plattform montiert werden können. 

Abb. 2(a) Eine elektrochemische Zelle auf der Empyrean XRD-Plattform. Die Zelle kann auch beheizt oder gekühlt werden, um die Lebensdauer bei Temperaturen außerhalb des Umgebungstemperaturbereichs zu untersuchen. Abb. 2(b) zeigt einen Knopfzellenhalter mit elektrischen Anschlüssen für die Montage von Knopfzellen, die mindestens eine Seite mit röntgendurchlässigem Fenster aufweisen.

Pouch-Bag-Zellen und prismatische Zellen

Das Empyrean unterstützt eine 60-kV-Anregung und ermöglicht eine hochintensive Ag-Strahlung von 22,16 keV, die für die Pouch-Bag-Zellen-Untersuchung erforderlich ist. Tatsächlich können mehrschichtige Pouch-Bag-Zellen mit einer Dicke von bis zu 5 mm auf der Empyrean XRD-Plattform analysiert werden, die mit Ag-Strahlung und einem GaliPIX^3D-Detektor ausgestattet ist. Darüber hinaus bieten spezielle mehrschichtige Fokussierspiegel eine hohe Auflösung und einen hoch brillanten Röntgenstrahl, wodurch die Messzeiten weiter verkürzt werden.      

Abb. 3(a) zeigt die Montage einer Pouch-Bag-Zelle oder prismatischen Zellen auf der Empyrean XRD-Plattform. Es wird auch ein Mechanismus, der Druck auf Pouch-Bag-Zellen ausübt, unterstützt. Abb. 3(b) zeigt den leistungsstarken GaliPIX^3D-Detektor mit CdTe-Sensor, der Röntgendiffraktionim laufenden Betrieb bei dicken Pouch-Bag-Zellen ermöglicht.