Sejak diperkenalkan secara komersial pada awal tahun 90-an, baterai lithium -ion ukuran kecil telah digunakan secara luas dalam konsumsi elektronik karena energi yang spesifik dan kepadatan energinya yang tinggi. Baru-baru ini baterai lithium -ion juga mulai menggantikan baterai nikel -metal hidrida di kendaraan hibrida dan listrik. Aplikasi otomotif ini memerlukan baterai ukuran besar dengan kepadatan energi tinggi dan siklus waktu pakai berjangka panjang. Berkat pengembangan ini, Baterai Lithium saat ini dipergunakan untuk Mobil Listrik.
Secara khusus bahan katoda memiliki pengaruh yang besar terhadap kapasitas baterai. Oleh karena itu, peningkatan baterai untuk aplikasi otomotif dan jaringan listrik sangat difokuskan pada penelitian bahan katoda dan karakteristiknya, khususnya dalam kondisi operasi.
Catatan aplikasi ini menjelaskan karakterisasi operando bahan katoda berbasis litium menggunakan XRD dengan D8 ADVANCE.
Figure 1. Battery cell basic design
Sel baterai yang digunakan untuk studi operasi dikembangkan oleh Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides di Université de Picardie Jules Verne (Amiens, Prancis), dan dikomersialkan secara eksklusif oleh Bruker AXS. Sel baterai jenis Swagelock yang ramah pengguna ini digunakan oleh banyak kelompok penelitian lain di seluruh dunia dan telah terbukti bekerja secara efisien. Desain dasar ditunjukkan pada Gambar. 1. Elektroda positif, pemisah (dibasahi dengan elektrolit) dan elektroda negatif ditumpuk lapis demi lapis di antara jendela Be dan plunger baja tahan karat. Rincian teknis lebih lanjut dijelaskan oleh J.B. Leriche et al. dalam Journal of The Electrochemical Society 157 (5) A606-A610 (2010). Sel baterai tepat terpasang ke pemegang sampel yang berputar dari difraktometer D8 ADVANCE. Selain untuk bahan elektroda berbasis litium, sel baterai juga dapat digunakan untuk karakterisasi operando bahan elektroda berbahan dasar natrium.
Untuk percobaan saat ini, sel baterai disiapkan dalam glove box menggunakan Li+Fe2+PO4 (LFP) sebagai bahan elektroda positif. 15 siklus pengisian/pemakaian dijalankan pada rate C/2,5 menggunakan potensiostat SP-50 dari BioLogic (Claix, Prancis).
Karena perubahan struktural terjadi selama siklus, maka sangat penting untuk mengumpulkan beberapa pola difraksi saat pengisian/pemakaian. D8 ADVANCE memiliki fitur Dynamic Beam Optimization (DBO), yang memungkinkan pengumpulan data kualitas tertinggi pada rentang sudut besar dalam waktu pengukuran terpendek.
Untuk pola difraksi pada percobaan khusus ini, dikumpulkan dari 16 ° (2q) hingga 38 ° (2q) hanya dalam 5 menit. Pemotongan waktu ini menghasilkan sekitar 30 pola difraksi yang dikumpulkan selama pengisian dan pengosongan, total sekitar 900 pola difraksi dalam 75 jam.
Setelah pengisian ion Li + ditransfer dari elektroda positif ke elektroda negatif. Akibatnya, LFP direduksi menjadi fase bebas Li (Fe3 + PO4, FP). Setelah pemakaian, reaksi sebaliknya terjadi.
Gbr. 2 menunjukkan analisis fase kualitatif pada pola difraksi yang diambil selama siklus pengisian. Fase LFP dan FP mudah diidentifikasi.
Figure 2. Qualitative phase analysis with DIFFRAC.EVA of diffraction pattern (background-subtracted) collected during the charging process. LFP dan FP are easily identified.
Figure 3a. Iso-intensity plot of the 15 charge/discharge cycles with DIFFRAC.EVA.
Figure 3b. Waterfall plot of the first charge/discharge cycle with DIFFRAC.EVA.
Plot intensitas-iso pada Gbr. 3a dengan baik menunjukkan bahwa komposisi fase berubah saat bersepeda, plot waterfall pada Gbr. 3b menunjukkan hal ini lebih detail untuk siklus pengisian-pelepasan pertama.
Figure 4. Zoomed view on the LFP (200) and FP(200) reflections during the first charge cycle. For clarity only every third diffraction pattern is shown. Article: Karakterisasi Baterai Lithium pada Mobil Listrik.
Gbr. 4 menunjukkan tampilan yang diperbesar dari pantulan LFP (200) dan FP (200) selama pengisian daya. Seperti yang diharapkan untuk tingkat pengisian yang agak lambat ini, LFP (200) secara bertahap berkurang dan FP (200) secara bertahap meningkat, menunjukkan transisi fase orde pertama.
Di luar informasi kualitatif ini, juga informasi kuantitatif dan (mikro) struktural dapat diekstraksi dari penyempurnaan Rietveld. Ini dilakukan secara otomatis pada semua pola difraksi menggunakan DIFFRAC.TOPAS dalam modus batch. Biasanya dalam eksperimen operando akan terdiri dari beberapa ratus atau bahkan ribuan siklus pengisian / pengosongan, oleh karena itu evaluasi mode batch otomatis sangat penting untuk menganalisis secara efisien sejumlah besar pola difraksi.
Figure 5. Rietveld refinement with DIFFRAC.TOPAS. Note that the increase in the background is due to the fact that data have been collected using a variable divergence slit to keep a constant 12 mm footprint. This significantly improves counting statistics at high 2Theta angles without over-illuminating the sample at low 2Theta angles. Unlike traditional Rietveld refinement programs requiring fixed divergence slit data, DIFFRAC.TOPAS can correctly handle both fixed and variable divergence slit data. The hump in the background observed about 23-24°(2q) comes from the amorphous glass fiber separator material.
Gbr. 5 menunjukkan perbaikan Rietveld dari pola difraksi tipikal. Perbaikan Rietveld memungkinkan penghitungan fasa kristal masing-masing, serta memperoleh informasi struktural seperti parameter kisi, dan informasi mikrostruktur seperti parameter ukuran kristal
Jumlah fase kuantitatif yang diperoleh dari pemurnian Rietveld (Gbr. 6) diplot untuk siklus pelepasan muatan pertama. Data menunjukkan bahwa setelah pengisian ada konversi dari LFP ke FP, yang sepenuhnya dapat dibalik setelah pemakaian.
Ekstraksi dan penyisipan Li + juga berpengaruh pada struktur kristal dari masing-masing fase dan secara jelas mengikuti siklus pengisian / pengosongan. Gambar. 7 menunjukkan evolusi parameter kisi-c selama siklus.
Juga, ukuran kristal berubah saat bersepeda. Efeknya agak kecil untuk LFP, tetapi ukuran kristal FP berkurang secara signifikan saat mendekati pelepasan penuh (Gbr. 8).
Catatan aplikasi ini menunjukkan bahwa banyak informasi dapat diperoleh dari studi operando pada bahan baterai menggunakan difraktometer laboratorium-rumah. Karakterisasi Baterai Lithium dapat digunakan kepada mobil listrik.
Acknowledgment
Sampel untuk studi operasi disediakan oleh Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides (Université de Picardie Jules Verne, Amiens, Prancis).
Dapatkan berbagai solusi untuk laboratorium atau industri Anda di sini.
