Un estudio publicado recientemente en El Diario de Química Física C integra microscopía electrónica de barrido (SEM) in situ y ex situ y espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDX) para proporcionar información detallada sobre los procesos de degradación de los electrodos basados en nanopartículas de silicio en celdas de batería de iones de litio durante los ciclos de carga/descarga.
Estudio: Visualización de mecanismos de degradación de electrodos negativos basados en nanopartículas de silicio en baterías de iones de litio mediante microscopía electrónica de barrido cuasi-in-situ y espectroscopía de rayos X de energía dispersiva. Crédito: petrmalinak/Shutterstock.com
La identificación de los procesos de degradación de los electrodos negativos basados en nanopartículas de silicio es crucial para las soluciones contra la rotura, la formación de polvo o el desarrollo sustancial de materiales activos de interfase de electrolito sólido (SEI).
Las tecnologías ex situ para el estudio post-mortem de los materiales de las baterías de iones de litio incluyen la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX). Aunque las tecnologías in situ brindan resultados más precisos, requieren baterías y electrolitos especialmente diseñados con temperaturas de vaporización elevadas, lo que limita sus aplicaciones prácticas.
Nanopartículas de silicio: el futuro de las baterías de iones de litio (LIB)
Los materiales basados en silicio (Si) se consideran las sustancias más adecuadas para el desarrollo de nuevos electrodos negativos debido a su alta densidad de potencia y capacidad de almacenamiento de energía. El crecimiento de los electrodos basados en silicio está impulsado por su alta capacitancia específica teórica, fácil disponibilidad y bajo costo de silicio.
Sin embargo, los electrodos basados en silicio sufren una rápida pérdida de capacidad y un ciclo de vida corto debido a la expansión/contracción significativa del volumen y al desarrollo significativo de la interfase de electrolito sólido (SEI).
Para mitigar estos efectos degradantes, se pueden emplear varios enfoques, tales como: B. Reactivos de electrolitos, aglutinantes, revestimientos superficiales preventivos y polímeros conductores nanoestructurados. Sin embargo, el uso de nanopartículas de silicio disponibles comercialmente (SiNP) se considera la estrategia más efectiva para reducir los cambios volumétricos y la pulverización de electrodos de las células LIB.
Análisis post-mortem para estudiar los mecanismos de degradación de SiNP
Las investigaciones post mortem, como la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX), son enfoques populares y eficientes para estudiar los procesos de degradación de los electrodos basados en nanopartículas de silicio.
El análisis ex situ significa que el ciclo de carga/descarga se detiene en la capacidad y condición apropiadas de la batería, la celda se desmonta y el electrodo seco se analiza utilizando SEM y EDX. Después del examen, el electrodo generalmente se desecha. A diferencia de SEM ex situ, los estudios in situ/operando se realizan sin desmontar la celda.
Aunque ex situ SEM y EDX pueden proporcionar información útil, las imágenes de diferentes electrodos no son tan precisas como las mediciones en el mismo punto obtenidas utilizando el enfoque in situ/operando. Por tanto, es necesario el desarrollo de métodos in situ/operando para obtener un conocimiento profundo de los procesos de degradación de los electrodos basados en nanopartículas de silicio en baterías de iones de litio.
Aspectos destacados del estudio actual
En este estudio, se investigaron los procesos de degradación de electrodos compuestos basados en nanopartículas de silicio puro, incluida la pulverización, el cambio de volumen irreversible y los productos de degradación de la superficie, utilizando SEM cuasi in situ (QUIS) y EDX durante los ciclos de carga/descarga.
Las ventajas de las investigaciones in situ y ex situ se combinan en el análisis QUIS-SEM y EDX. Se lleva a cabo una evaluación ex situ recurrente en el mismo sitio en una atmósfera protegida, lo que da como resultado imágenes SEM que brindan información precisa sobre los procesos de envejecimiento como si se hubieran tomado in situ.
Las celdas LIB con un electrolito basado en carbonato orgánico convencional se operaron en condiciones de operación típicas durante todo el experimento. Durante el ciclo de carga/descarga, las celdas se abrieron muchas veces con la misma capacidad de batería. Para garantizar una atmósfera casi in situ protegida, los electrodos basados en nanopartículas de silicio se retiraron de la celda de forma no destructiva y se mantuvieron en un entorno inerte.
Resultados de la investigación y perspectivas de futuro
Los resultados mostraron que el enfoque QUIS-SEM/EDX permite múltiples ciclos de obtención de imágenes de la superficie del electrodo basado en nanopartículas de silicio en la misma área con una degradación mínima del haz y una buena precisión espacial.
Comparando diferentes tasas de descarga después de diez ciclos usando la técnica QUIS, se encontró que la expansión volumétrica permanente era dominante a tasas de descarga más bajas, pero se demostró que la estructura fragmentada era dominante a tasas de descarga más altas.
Además, el análisis del crecimiento constante de los productos de degradación en la superficie reveló que los productos de degradación a base de flúor se forman en el aditivo conductor en lugar de en las nanopartículas de silicio, lo que implica que el aditivo conductor es un factor esencial para crear un SEI homogéneo y la degradación a partir de él. células LIB.
En general, QUIS-SEM/EDX puede resolver posibles brechas en la tecnología de imágenes/análisis para comprender los efectos degradantes de las nanopartículas de silicio y los electrodos compuestos basados en nanopartículas de silicio para baterías de iones de litio.
Relación
Dienwiebel, I. et al. (2022). Visualización de mecanismos de degradación de electrodos negativos basados en nanopartículas de silicio en baterías de iones de litio mediante microscopía electrónica de barrido cuasi in situ y espectroscopía de rayos X de energía dispersiva. El Diario de Química Física C. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c03294
