Sıklıkla birincil güç kaynağı olarak kullanılan lityum-iyon piller (LIB’ler) modern elektronik 1-3’ün temel bileşenleridir . Elektrot malzemelerinin mekanik ve elektriksel özelliklerini anlamak, LIB’lerin performans arttırılmasında önemli bir rol oynar.
Bu makalede, LIB elektrot yüzeylerinin hem elektriksel hem de mekanik özelliklerini, yüksek vakum ortamında, ortam koşullarına göre çok daha yüksek bir kalitede etkili bir şekilde ölçmek için PinPoint ™ SSRM kullanılarak yapılan araştırma sunulmaktadır.
Bu deneyde toplanan veriler, bu yöntemin gelişmiş veri doğruluğu ve görüntü kalitesi ile gelişmiş malzemelerin nicel ve nitel topografik, elektriksel ve mekanik verilerini ölçmek için etkili bir araç olduğunu göstermektedir.
Giriş
LIBs esnek ve hafif tasarımı, yüksek enerji yoğunluğu, düşük maliyet, düşük kendi kendine deşarj ve diğer pil teknolojileri ile karşılaştırıldığında uzun ömürleri nedeniyle elektrikli araçlardan taşınabilir cihazlara kadar çeşitli uygulamalarda her yerde bulunur .
Tüm bu faydaları rağmen büyük ölçekli enerji depolama ve hibrid elektrikli araçlar (HEV) gibi uygulamaların gereksinimlerini karşılamak için LIB’lerin güvenilirlik ve performans geliştirilmelidir .
Kapsamlı araştırmalar, daha iyi performans elde etmek için dört hücre materyalinin geliştirilmesine odaklanmıştır; 1) pozitif ve 2) negatif elektrot aktif maddeleri (AM), 3) ayırıcılar ve 4) elektrolitler . Elektrot malzemelerinin elektriksel ve mekanik özelliklerini anlamak, LIB’lerin performans iyileştirilmesinde önemli bir rol oynar.
Belirlenmiştir ki elektrot malzemeleri daha hızlı ve / veya daha büyük bir hacim genişlemesi gösterir, özellikle döngü esnasında, elektrot filmleri, elektrot parçacıkları ve boşaltma kapasitesi daha iyi muhafaza akım kolektörleri sonuçları arasında iyi bir yapışma, .
Ayrıca, gelişmiş elektronik iletkenlik ve elektrotlarda iyonik difüzyon da LIB kapasite iyileştirme 6 sonuçlanır . Bir nanometre ölçeğinde elektriksel ve mekanik özelliklerin optimize edilmesi, cihazlar daha kompakt hale geldikçe, gelişmiş arayüzlere yol açarak daha alakalı hale gelmiştir.
Bu yerel özellikleri ölçebilen bir takım teknikler vardır. Daha yaygın teknikler empedans spektroskopisi ve nanoindentasyon . Yine de, her iki tekniği kullanarak bile yukarıda belirtilen özellikler hakkında tam yerel bilgi alınamaz.
Empedans spektroskopisi sadece arayüzler arasında ayrım yapar ve kesin bir model gerektirir. Bu nedenle, her arabirim için yerel bilgi vermez. Nanoindentasyon yıkıcıdır ve herhangi bir elektrik bilgisi sağlamaz.
Tarama Yayılma Direnci Mikroskopisi (SSRM), elektriksel özellik ölçümünde karşılaşılan sorunların üstesinden gelmek için kullanılan daha etkili araçlardan biridir. Bu yöntem hem elektriksel özellikleri hem de topografyayı aynı anda ölçer.
SSRM, mikro ve nano ölçekte kullanılan iyi kurulmuş bir Yayılma Direnç Profili (SRP) tekniğinin bir uygulamasıdır. İletken-AFM ve SSRM’nin çalışması, SSRM’nin bir cihazın enine kesitli yüzeyini taraması dışında aynıdır, İletken-AFM’de genelleştirilmiş bir yüzey taranır.
SSRM uygulamaları arasında, kesin pn-kavşak tanımlamasına ek olarak yarı iletken malzemelerde katkı maddesi dağılımının oluşturulması yer alır.
Bununla birlikte, SSRM’nin görüntü çözünürlüğünün bozulması, ucun hızlı aşınması ve düşük sinyal / gürültü oranı gibi bazı dezavantajları vardır. Bu dezavantajlar, tarama sırasında sürekli uç-örnek temasından kaynaklanan yüksek sürtünme kuvvetinden kaynaklanmaktadır.
Park Systems tarafından yakın zamanda PinPoint adı verilen yeni bir operasyonel atomik kuvvet mikroskobu (AFM) modu , mühendislere ve bilim insanlarına tarama sırasında sorunlu sürtünme kuvvetlerinden kaçınmak için yenilikçi bir çözüm sunmak amacıyla SSRM ile birleştirildi.
Sürtünmesiz çalışmayı sağlamak için PinPoint yaklaşma-geri çekme tarzında çalışır. Bu, yanal kuvvetin sürekli uç-numune temasından durmasını sağlar. Ayrıca, bu tekniklerin AFM ile entegrasyonu topografinin ve elektrik / mekanik özellik verilerinin numuneyi veya ucu değiştirmeden eşzamanlı olarak elde edilmesini sağlar.
Burada, PinPoint ™ SSRM’nin, LIB elektrot yüzeylerinin hem mekanik hem de elektriksel özelliklerini, yüksek vakum ortamında Park NX-Hivac AFM sistemi ile ortam koşullarından çok daha yüksek kalitede etkili bir şekilde ölçtüğü gösterilmiştir .
Malzemeler ve yöntemler
Bir LIB elektrot 9 incelemek için bir Park NX-Hivac AFM sistemi kullanılmıştır . 256 x çözünürlüğe sahip 20 um x 12 um tarama yapmak için numunenin mekanik (sertlik ve yapışma), topografik ve elektriksel (direnç ve iletkenlik) verileri yüksek vakum altında ( 10-5 torr aralığı) ölçülmüştür. 150 piksel.
Bu deney için nominal kuvvet sabiti 80 N / m olan iletken bir elmas kaplı prob (NANOSENSORS ™ CDT-NCHR) kullanıldı. PinPoint SSRM’de bir numunenin elektriksel özellikleri, topografyası ve mekanik özellikleri aynı anda toplanabilir.
Geri besleme sinyalini izleyerek iletken uç topografyayı eşleştirir ve önceden tanımlanmış bir kuvvet eşik noktasına ulaşana kadar numuneye yaklaşır. Ardından, Z tarayıcı yüksekliğini ölçer ve hızla geri çekilir.
Uç numune yüzeyine her girdiğinde, numunelerin akım dağılımı haritalanır. İletken uç ve numune arasında uygulanan sapma voltajı tarafından üretilen akım akışı, elektrik verilerini elde etmek için her bir iniş noktasında ölçülür.
Tipik olarak, akım akışı çok küçüktür ve bir görüntüye işlenmeden önce bir akım amplifikatörü tarafından artırılmalıdır. Park NX-Hivac, çoğu ölçüm için geçerli olan 10 6 ~ 10 12 V / A değişken kazançlı bir dahili akım amplifikatörünün kullanımını destekler .
Bu deneyde kullanılan uygulanan harici numune sapması 3V idi. Ayrıca, görüntünün her bir noktasında, kuvvet-mesafe eğrisi toplandı ve ölçülen örneğin mekanik özelliklerini hesaplamak için kullanıldı.
XY tarayıcı veri toplama sırasında durur ve temas süresi, tarayıcının doğru ve kesin veri toplaması için yeterli zaman tanıyacak şekilde kontrol edilir. Tüm görüntüler, karşılık gelen bir çizgi profili çizen ve görüntü analizini gerçekleştiren Park XEI yazılımı kullanılarak analiz edildi.
Sonuçlar ve tartışma
Yüksek vakum altında bu deneyi gerçekleştirmek, diğer yöntemlerin karşılaştırıldığında duyarlılık ve çözünürlük ölçümlerinde artış ile sonuçlandı . Yüksek vakum, aynı zamanda uç ve / veya numunenin maruz kaldığı hasarı en aza indirirken daha yüksek tekrarlanabilirlik ve doğruluk sağlar.
Ortam havası veya N yapılan deneylerde karşılaştırıldığında 2 her zaman ortam koşulları altında mevcut olan bakiye ince bir sıvı film, çünkü daha düşük olabilir, yüksek vakum altında ucu ve numune arasında uygulanan kuvvet, elektrik temas kalitesini düşürür 9 .
Şekil 1 ve 2, bu deneyler sırasında toplanan nicel ve nitel sonuçları göstermektedir. Şekil 1, numunede ölçülen topografyayı ve elektriksel verileri göstermektedir. Topografya görüntüsü (Şekil İA), numune yüzeyinin çapları 2 ila 8 um arasında değişen dairesel şekilli platolardan oluştuğunu göstermektedir.
Daha koyu renklere sahip dairesel platolar düşük yalan alanlarını ve daha parlak renkler daha yüksek yükseklikteki alanları temsil eder. Direnç görüntüsü (Şekil 1B), daha yüksek yüzey direncini temsil eden daha parlak renkli alanlara sahipken, daha koyu renklere sahip alanlar daha düşük yüzey direncini temsil eder.
İletkenlik görüntüsündeki daha parlak renkler (Şekil 1C) daha yüksek iletkenliği temsil ederken daha koyu renkler daha düşük yüzey iletkenliğine sahip alanları temsil eder. Topografya ve direnç görüntüleri karşılaştırılırken, düşük yalan alanlarına kıyasla daha yüksek dairesel platoların daha düşük dirence sahip olduğu tespit edilebilir.
Topografya ve iletkenlik görüntülerinin karşılaştırılması, daha yüksek yüksekliğe sahip dairesel platoların düşük yalan alanlarına kıyasla daha yüksek iletkenliğe sahip olduğunu göstermektedir. Bu, XEI modunda toplanan topografya ve iletkenliğin (Şekil 1D) 3D bindirmeli görüntüsünde de görülebilir.
Hem iletkenlik hem de direnç görüntüleri dairesel yaylaları çevreleyen küçük tanelerin net bir resmini gösterir. Bu küçük tanelerin, dairesel platolara kıyasla daha yüksek iletkenliğe ve daha düşük dirençliliğe sahip olduğu bulunmuştur.
İletkenlik, topografya ve direnç görüntülerinin karşılık gelen çizgi profilinin (Şekil İE) incelenmesi, dairesel platoların en yüksek yüksekliğe (yaklaşık 50-60 nm) sahip bölgeler olduğunu doğrular.
Düşük yalan alanları ise en yüksek dirence sahiptir (yaklaşık 8 GΩ). İletkenlik görüntüsünün çizgi profili, dairesel platolar etrafındaki küçük tanelerin en yüksek iletkenliğe sahip bölgeler (yaklaşık 1.3 uS) olduğunu gösterir.
Numuneden ölçülen mekanik veriler Şekil 2’de gösterilmektedir. Sertlik görüntülerinde daha koyu alanlar daha düşük sertlik ve modüllü yüzeye karşılık gelirken daha parlak alanlar daha yüksek sertlik ve modüllü bir yüzeyi temsil eder.
Yapışma görüntüsü platolar arasında önemli farklılıklar göstermez. Yaylalar arasında daha yüksek yapışma eğilimi görülmektedir. Ortalama yapışma kuvveti 80 nN olarak hesaplandı. Numune yüzeyindeki gözle görülür sertlik varyasyonları sertlik görüntüsünde gösterilmiştir.
Koyu renk haritası ile temsil edilen dairesel özelliklerin ölçülen sertlik değeri -2.8 µV civarındaydı (burada verilen sertlik biriminin karşılaştırmalı amaçlar için nitel veriler olduğunu ve sertliğin mutlak fiziksel birim değerini temsil etmediğini unutmayın) parlak renk haritası ile temsil edilen -1.5 ve -2.0 uV arasındaydı.
Sonuç
Park NX-Hivac sistemi Nokta ™ SSRM kullanılarak başarılı bir şekilde lityum iyon pil elektrot ile karakterize edilir.
Bu deneyde toplanan veriler, bu yöntemin gelişmiş veri doğruluğu ve görüntü kalitesi ile gelişmiş malzemelerin nicel ve nitel elektrik, topografik ve mekanik verilerini ölçmenin etkili bir yolu olduğunu göstermektedir.
Genel olarak, bu çalışmada kullanılan PinPoint ™ yöntemi, araştırmacıların ve cihaz mühendislerinin, LIB elektrotları gibi benzersiz özelliklere sahip belirli malzemelerin mekanik ve elektriksel davranışlarını anlamalarında büyük ölçüde yardımcı olacaktır.
Kaynaklar
- JM Tarascon ve M Armand, Nature 414 (6861) (2001) 359-67.
- J Chen, J Liu, Y Qi, T Sun ve X Li, Elektrokimyasal Toplum Dergisi 160 (9) (2013) A1502-A1509.
- L Vasconcelos, R Xu, J Li ve K Zhao, Ekstrem Mekanik Harfleri 9 (3) (2016) 495-502.
- G Kermani ve E Sahraei, Enerjiler 10 (11) (2017) 1730.
- Bir Mishra, A Mehta, S Basu, S Malode, N Shetti, S Shukla, M Nadagouda ve T Aminabhavi, Enerji Teknolojileri için Malzeme Bilimi 1 (2) (2018) 182-187.
- M Park, X Zhang, M Chung, G Less ve A Sastry, Journal of Power Sources 195 (24) (2010) 7904-7929.
- Y Gao, M Cho ve M Zhou, Makine Bilimi ve Teknolojisi Dergisi 27 (5) (2013) 1205-1224.
- E Reinholz, S Roberts, C Apblett, J Lechman ve P Schunk, Journal of Electrochemical Society 163 (8) (2016) A1723-A1729.
- Park Systems Inc. (2015, 6 Mayıs). Park Sistemleri Yarı İletken Üretimi Hata Analizinde Optimum Sonuçlar için Yüksek Vakumlu SSRM AFM Sistemi Park NX-Hivac’ı Tanıttı [Web Post]. Https://parksystems.com/company/news/press-release/480-park-nx-hivac-a-high-vacuum-ssrm-afm-system adresinden erişildi.
- JP Pineda, C Newcomb, G Pascual, B Kim ve K Lee (2017, 1 Mayıs). PinPoint ™ İletken AFM ile Çinko Oksit Nanorodlarının Optimum Akım Dağılımı Ölçümü [Online Makale]. Https://parksystems.com/images/media/appnote/Optimum-Current-Distribution-Measurement-of-Zinc-Oxide-Nanorods-via-PinPoint-Conductive-AFM_20.pdf adresinden erişildi.
- F Susai, H Sclar, Y Shilina, T Penki, R Raman, S Maddukuri, S Maiti, I Halalay, S Luski, B Markovsky ve D Aurbach, Advanced Materials 30 (41) (2018) 1801348.