Badania baterii z użyciem rentgenowskiego mikroskopu HZB

Rysunek po lewej stronie przedstawia nanotomograficzne zdjęcia cząsteczki LRTMO wykonane w TXM BESSY II przed pierwszym cyklem ładowania (góra) oraz po 10 cyklach ładowania (dół). Po prawej stronie znajdują się odpowiednie symulacje z izolowanymi porami (jasnoniebieskie), których liczba po 10 cyklach ładowania (w prawym dolnym rogu) wzrosła. © HZB / The left side of the figure shows nanotomography images of an LRTMO particle taken at the TXM of BESSY II before the first charging cycle (top) and after 10 charging cycles (bottom). In the simulation (right side), the isolated pores are highlighted in light blue. After 10 charging cycles, the number of pores and cracks has significantly increased. © HZB

Aby dalej zwiększać pojemność litowo-jonowych akumulatorów, opracowywane są nowe materiały katodowe. Wielowarstwowe, litowo-bogate tlenki przejściowych metali (LRTMO) umożliwiają szczególnie wysoką gęstość energii. Jednak z każdym cyklem ładowania ich pojemność maleje, co wiąże się ze zmianami strukturalnymi i chemicznymi. Dzięki badaniom rentgenowskim przeprowadzonym na BESSY II, zespół z chińskich instytucji badawczych po raz pierwszy zmierzył te zmiany eksperymentalnie z najwyższą precyzją: za pomocą unikalnego mikroskopu rentgenowskiego mogli obserwować rozwój morfologiczny i strukturalny na nanometrycznej skali, a także wyjaśniać zmiany chemiczne.

Aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność litowo-jonowych akumulatorów, stosuje się nowe materiały katodowe. Tak więc warstwowe, litowo-bogate tlenki przejściowych metali (LRTMO) mogą zwiększyć pojemność ładowania i być wykorzystywane w wysokowydajnych akumulatorach litowych. Jednak dotychczas zaobserwowano, że te materiały katodowe szybko się „starzeją”: podczas ładowania i rozładowania, gdy litowe jony przemieszczają się tam i z powrotem, zmienia się materiał katody. Do tej pory nie było jasne, jakie konkretnie zmiany zachodzą.

Zespoły z chińskich instytucji badawczych złożyły wnioski o czas pomiaru na światowej klasy mikroskopie transmisyjnym rentgenowskim (TXM) na źródle undulatorowym w BESSY II, aby zbadać próbki materiałów za pomocą tomografii 3D i spektroskopii nanoskładników. Pomiar na HZB-TXM przeprowadził wówczas, jeszcze przed pandemią koronawirusa, w 2019 roku, dr Peter Guttmann z HZB. Następnie analiza rentgenowska została uzupełniona o kolejne badania spektroskopowe i mikroskopowe. Po szczegółowej analizie obszernego materiału danych, są już dostępne wyniki: dostarczają one informacji o zmianach w morfologii i strukturze materiału, a także o procesach chemicznych zachodzących podczas rozładowania.

„Transmisyjna mikroskopia rentgenowska z miękkim promieniowaniem rentgenowskim umożliwia wizualizację stanów chemicznych w cząstkach LRTMO z wysoką rozdzielczością przestrzenną w trzech wymiarach oraz uzyskanie wglądu w reakcje chemiczne podczas cyklu elektrochemicznego” — wyjaśnia dr Stephan Werner, który naukowo nadzoruje i rozwija to narzędzie.

Tak więc wyniki dostarczają informacji o lokalnych odkształceniach sieci, które są związane z przemianami fazowymi oraz powstawaniem nanoporów. Lokalnie można także określić stopień utlenienia poszczególnych pierwiastków. Kluczową rolę odgrywa tempo ładowania: wolne ładowanie sprzyja przemianom fazowym i utracie tlenu, podczas gdy szybkie ładowanie prowadzi do odkształceń sieci i niejednorodnej dyfuzji litu.

„Mamy tutaj w TXM unikalną możliwość: możemy zaoferować tomografię transmisyjną z energią podwyższoną” — mówi Werner. „Dzięki temu uzyskujemy trójwymiarowy obraz z informacjami strukturalnymi dla każdego elementowo-specyficznego poziomu energii — czyli energia jest tutaj czwartym wymiarem.”

Wnioski z tego badania dostarczają cennych informacji na temat rozwoju wysokowydajnych katod, które pozostają stabilne i odporne na cykle. „TXM jest doskonale dostosowany do przyszłych badań in-operando — czyli podczas ładowania lub rozładowywania — aby uzyskać nowe wglądy w zmiany morfologiczne, a także chemiczne w materiałach baterii” — mówi prof. Gerd Schneider, który opracował to narzędzie.