Batterieforschung und -herstellung
Raman-Bildgebung und Mikroskopie-Energiespeicheranwendungen
Analyse der Zykluseigenschaften von negativen Silizium-Graphit-Elektroden
Lithium-Ionen-Batterien versorgen Geräte wie Smartphones, Laptops, Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energiesysteme mit Strom. Negative Silizium-Graphit-Verbundelektroden kombinieren die Energiekapazität von Silizium mit der Stabilität von Graphit, stehen jedoch vor Herausforderungen wie Volumenerweiterung und Siliziumpulverisierung, was die Langlebigkeit und Effizienz einschränkt.
Bindemittel wie PVdF und PAANa gehen diese Probleme effektiv an, indem sie die Integrität der Elektroden während der Lade- und Entladezyklen aufrechterhalten. Die Raman-Mikroskopie charakterisiert den Bindungsmechanismus zwischen Elektrodenkomponenten und Bindemitteln und bewertet die Bindemittelverteilung und -homogenität. RAMANtouch analysierte negative Silizium-Graphit-Verbundelektroden und zeigte, dass PAANa-Bindemittel eine gleichmäßige Siliziumlegierung fördern und die Stabilität verbessern.
Im Gegensatz dazu zeigten Elektroden mit PVdF-Bindemitteln nach dem Zyklus gestreutes und inaktives Nanosilizium, was auf Volumenausdehnungsprobleme hinweist. Dies unterstreicht die Wirksamkeit von PAANa bei der Verbesserung der Elektrodenstabilität und demonstriert den Nutzen der Raman-Spektroskopie bei der Optimierung des Batteriedesigns. Durch Überlagerung der Oberflächenmorphologie mit Raman-Bildern wurden die Verteilung und das Verhalten verschiedener Komponenten innerhalb des Elektrodenmaterials untersucht.
Nicht-Atmosphären-exponierte Raman-Bildgebung von Lithium-Ionen-Kathoden
Silizium, das mehr Lithium als Graphit absorbieren kann, ist ein vielversprechendes Material für negative Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Kapazität. Seine großen Volumenänderungen beim Laden und Entladen führen jedoch häufig zu einer Umwandlung von kristallinem Silizium in einen amorphen Zustand.
Dies kann zu irreversiblem Kapazitätsverlust, struktureller Verschlechterung, veränderter Diffusionskinetik und Elektrodeninstabilität führen, was sich auf die Leistung und Langlebigkeit der Batterie auswirkt. Dies wird im folgenden Beispiel gezeigt. Der Zustand der negativen Elektroden auf Siliziumbasis in Lithium-Ionen-Batterien wurde mit Hilfe der Raman-Bildgebung vor und nach dem Laden untersucht.
Darüber hinaus kann der Siliziumkristall auch aufgrund von Volumenänderungen während des Ladens und Entladens kollabieren. Dies kann durch feine Dispergierung der Silikonpartikel entfallen, was durch die Verwendung von Bindemitteln wie Polyacrylsäure-Natrium (PANa) und Polyvinylidenfluorid PVdF erreicht werden kann.
Im folgenden Beispiel wurde durch Raman-Bildgebung gezeigt, dass die Verwendung von Polyacrylsäure-Natrium (PANa) als Bindemittel eine homogene Dispersion jeder Komponente ermöglicht. Andererseits wird bei Elektrodenplatten, die PVdF als Bindemittel verwenden, eine Tendenz zu einem Mischzustand von Graphit und Ketjen Black beobachtet, verglichen mit der Verwendung von PANa als Bindemittel (Abbildung unten).
