Výzkum baterií s pomocí rentgenového mikroskopu HZB

Obrázek vlevo ukazuje nanotomografické snímky částice LRTMO před prvním nabíjecím cyklem (nahoře) a po 10 nabíjecích cyklech (dole). Vpravo od nich jsou odpovídající simulace s izolovanými pórami (světle modrá), jejichž počet po 10 nabíjecích cyklech (vpravo dole) stoupá. © HZB / Levá strana obrázku ukazuje nanotomografické snímky částice LRTMO pořízené na TXM BESSY II před prvním nabíjecím cyklem (nahoře) a po 10 nabíjecích cyklech (dole). V simulaci (pravá strana) jsou izolované póry zvýrazněny světle modrou. Po 10 nabíjecích cyklech se počet pórů a prasklin výrazně zvýšil. © HZB

Pro další zvýšení kapacity lithium-iontových baterií jsou vyvíjena nová katodová materiály. Vícevrstvé lithium-obsahující přechodové kovy oxidy (LRTMO) umožňují obzvlášť vysokou energetickou hustotu. S každým nabíjecím cyklem však jejich kapacita klesá, což souvisí se strukturálními a chemickými změnami. Pomocí rentgenových vyšetření na BESSY II nyní tým z čínských výzkumných institucí poprvé experimentálně změřil tyto změny s nejvyšší přesností: S unikátním rentgenovým mikroskopem mohli sledovat morfologický a strukturální vývoj na nanometrové škále a zároveň odhalit chemické změny.

Li-ionové baterie by měly být pomocí nových materiálů pro katody ještě výkonnější. Tak by mohly vrstvené lithium-obsahující přechodové kovy katody (LRTMO) dále zvýšit nabíjecí kapacitu a být využity v vysokovýkonných lithium-iontových bateriích. Dosud však bylo pozorováno, že tyto katodové materiály rychle „stárnou“: při nabíjení a vybíjení se pohybem lithia mění jejich struktura. Přesné povahy těchto změn dosud nebyly jasné.

Proto týmy z čínských výzkumných institucí požádaly o měřicí čas na celosvětově unikátním transmisním rentgenovém mikroskopu (TXM) na undulátorovém svazku v BESSY II, aby mohly analyzovat své vzorky materiálů pomocí 3D tomografie a nanospektroskopie. Měření na HZB-TXM provedl tehdy, ještě před pandemií COVID-19 v roce 2019, Dr. Peter Guttmann z HZB. Následně byla rentgenová mikroskopická analýza doplněna dalšími spektroskopickými a mikroskopickými vyšetřeními. Po náročném vyhodnocení bohatých datových materiálů jsou nyní k dispozici výsledky: Ty poskytují informace o změnách v morfologii a struktuře materiálu, ale také o chemických procesech během vybíjení.

„Transmisní rentgenová mikroskopie s měkkým rentgenovým zářením umožňuje vizualizovat chemické stavy v LRTMO částicích s vysokým prostorovým rozlišením ve třech rozměrech a získat pohled na chemické reakce během elektrochemického cyklu,“ vysvětluje Dr. Stephan Werner, který přístroj vědecky spravuje a dále rozvíjí.

Výsledky poskytují informace o lokálních deformacích mřížky, které jsou spojeny s fázovými přeměnami a tvorbou nanoporen. Také oxidační stavy jednotlivých prvků bylo možné lokalizovaně určit. Rychlost nabíjecích procesů hraje při tom důležitou roli: pomalé nabíjení podporuje fázové přeměny a ztrátu kyslíku, zatímco rychlé nabíjení vede k deformacím mřížky a nehomogenní difuzi lithia.

„U nás na TXM máme jedinečnou možnost: můžeme nabídnout energeticky rozlišenou transmisní rentgenovou tomografii,“ říká Werner. „Tím získáme 3D obraz s informačními strukturami pro každý specifický energetický úroveň prvku – tj. energie je zde čtvrtou dimenzí.“

Zjištění z této studie poskytují cenné informace pro vývoj vysokovýkonných katod, které zůstanou dlouhodobě stabilní a odolné vůči cyklům. „TXM je výborně přizpůsoben tak, aby v budoucnu prostřednictvím in-operando studií – tedy během nabíjení nebo vybíjení – přinesl nové poznatky o morfologických i chemických změnách v bateriových materiálech,“ říká prof. Gerd Schneider, který TXM vyvinul.