پیشرفته ترین تکنیک های تصویربرداری برای باتریهای لیتیوم یون
باتری های لیتیوم-یون (LIB) برجسته ترین دستگاه های الکتروشیمایی تجاری هستند، که بطور گسترده ای در قطعات الکترونیکی هوشمند، وسایل نقلیه ی الکتریکی و ذخیره انرژی شبکه و غیره بعلت چگالی انرژی بالای آنها و چرخه عمر طولانی استفاده می شوند. برای بررسی بهبود عملکرد باتری مانند چگالی انرژی، قابلیت چرخش، قابلیت نرخ و ایمنی نیاز به آنالیزهای مشخصه یابی مختلفی داریم. برای این کار، شناخت پیشرفت تکاملی جزئیات ساختاری درون باتری لازم و ضروری است. در بسیاری از تکنیک های تصویربرداری پیشرفته، مانیتور بطور مستقیم موقعیت ها و اطلاعات کلیدی درون باتری را به تصویر می کشد. برای تکنیک های تصویر برداری پیشرفته نیاز به قدرت تفکیک بسیار بالا، توابعی که بطور کامل حاوی اطلاعات مفید، عدم تخریب نمونه و مشاهده مستقیم از نمونه مورد نظر است. این تکنیک های تصویر برداری توانایی مصورسازی توزیع ذرات ظرفیت شیمیایی تراز سطوح میکرومتری، تغییر شکل فصل مشترک جامد/ الکترولیت (یا رشد SEI)، رشد دندریت لیتیوم (خرد شدن ذرات الکترود در مقیاس کوچک) و ردیابی مقدار گاز (تورم باتری در مقیاس ماکرو) و غیره، که تا حد زیادی توسعه باتری های قابل شارژ را تقویت می کند. همه این تغییرات ممکن است عملکرد الکتروشیمیایی را تحت تاثیر قرار دهد، از این رو لازم است، بررسی شود این تغییرات کجا و چگونه اتفاق می افتد.
LIB یک سیستم بسته با ساختارهای داخلی پیچیده است.
همه این تغییرات ممکن است الکتروشیمیایی را تحت تاثیر قرار دهد. مطلوب است مستقیمابررسی شود که این تغییرات کجا و چگونه اتفاق می افتد. بنابراین بسیاری از تکنیک های تصویربرداری اطلاعات ساختار باتری را با وضوح فضایی 2Dو 3D به نمایش می گذارد. این تصاویر به محققان در تحلیل مکانیسم شکست کمک می کند. بنابراین LIBرا برای کاربردهای عملی بیشتر توسعه می دهد.
بطور کلی، ماهیت روش تصویر برداری براساس استفاده از یک محیط برای تعامل با نمونه آزمایش شده است. این محیط بعنوان یک حامل اطلاعات برای بدست آوردن اطلاعات ساختاری از نمونه عمل می کند. با جمع آوری این حامل های اطلاعاتی، و تجزیه و تحلیل مسیر انتقال آن ها ، ساختار نمونه با وضوح فضایی را می توان بدست آورد.
حامل های اطلاعات رایج برای تصاویر LIB شامل اشعه X، اشعه ماوراء بنفش(UV)، و نور مرئی، اشعه مادون قرمز (IR)، پرتو الکترون، پرتو نوترون، پرتو یون و فراصوت. این حامل های اطلاعاتی، می توانند بصورت امواج الکترومغناطیسی، امواج دوبروی یا امواج مکانیکی دیده شوند.
طول موج و عمق تراگسیلی در الکترودهای LIB در شکل 1 خلاصه شده است.
طول موج و عمق تراگسیل چندین حامل اطلاعات برای تصاویر LIB
طول موج حامل اطلاعات، حد تفکیک تصویر برداری را تعیین می کند. زیرا پراش، حد تفکیک فضایی حدود نیمی از طول موج است. بنابراین، تکنیک های تصویر برداری بر پایه ی پرتو الکترون، پرتو یون، اشعه x و پرتو نوترون از نظر تئوری قادر به دریافت اطلاعات ساختاری در مقیاس نانو از ذرات الکترود هستند. در حالیکه تکنیک های تصویر برداری مبتنی بر اشعه ماورائ بنفش و نور مرئی، IR و فراصوت فقط می توانند خصوصیات میکرومتر یا میلیمتر ساختار باتری را مشخص کنند. بعبارت دیگر، عمق تراگسیل از حامل اطلاعات تا حد زیادی تعیین کننده روش تصویر برداری درست یا نادرست است. از آنجایی که LIB یک سیستم بسته است، اطلاعات حامل ها برای برقراری ارتباط با مواد فعال الکتروشیمیایی نیاز به انتقال از طریق مواد بسته بندی دارد. تکنیک های تصویر برداری بر پایه نوترون، اشعه x و فراصوت در موقعیت سل های بسته ای در حین کار به دلیل انتقال پذیری بالا می تواند اعمال شود. در مقابل، پرتو یون، پرتو الکترونی و uv/ نور مرئی/ IR بر پایه تکنیک های تصویر برداری معمولا روش های نامناسبی هستند که در موارد سنتی نیاز به جدا کردن سل دارد.
با این حال استفاده از این روش ها برای مشاهده همزمان تغییرات الکتروشیمایی مطلوب است. برای حل این مشکل، از سل های تخصصی فوق العاده نازک یا شفاف استفاده می کنند، که بطور قابل توجهی تحقیقات درباره LIB را بطور قابل توجهی تسهیل می کند. با این وجود ما باید به این نکته توجه کنیم، که هنوز اختلاف زیادی در محیط الکتروشیمیایی وجود دارد. پارامترهای اساسی حامل اطلاعات برای طراحی تجهیزات تصویر برداری، طول موج و عمق نفوذ هستند. برای مثال، برای اشعه x ، برای هر دو توان تفکیک و عمق تراگسیل انرژی بالا مناسب است. بنابراین، ایستگاه های سینکروترون مقیاس بالا برای بدست آوردن انرژی بالا و پرتوهای اشعه x با دوز بالا ساخته شده است. در مقابل، برای فراصوت فرکانس بالا وضوح را بهبود می بخشد، ولی عمق تراگسیل را کاهش می دهد. برای برقراری ارتباط بین توان تفکیک و عمق تراگسیل معمولا از یک فرکانس متوسط استفاده می شود. حامل های اطلاعاتی مختلف و ترکیبات آن ها باعث بوجود آمدن تعداد زیادی تکنیک های تصویر برداری که در تحقیقات LBIبسیار مفید هستند. بطور خلاصه در شکل 2 نشان داده شده است. حامل ها به اطلاعات ساختاری مربوطه حساس هستند. بنابراین، این تکنیک های تصویر برداری نه تنها مورفولوژی نمونه ها را نشان می دهند بلکه توزیع ترکیبات اولیه، ظرفیت شیمیایی، ساختار پیوند شیمیایی، کرنش، رسانندگی گرمایی و غیره را مشخصه یابی می کنند. اخیرا، تکنیک های تصویر برداری برای LIB ها بسیار سریع توسعه داده شدند. بسیاری از فرآیندهای تکامل ساختاری بیش از این بیشتر و بیشتر دیده می شوند. در این بررسی برخی از پیشرفت های مهم در این زمینه معرفی و بحث شده است.
تکنیک های تصویر برداری رایج وضوح برای تحقیقات LIB و مقیاس اندازه سیستم های ساختاری درون LIB
