En
SEM Application Data Sheet (SHEET No.253)
Tác giả: Feifei Wang, Hitachi High-Tech Scientific Solution (Bắc Kinh) Co., Ltd
Tổng quan và Ý nghĩa phân tích
Là thành phần cấu tạo bên trong then chốt của pin lithium-ion (LIB), sự thay đổi cấu trúc của màng ngăn là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự hỏng hóc. Trong các pin LIB hoạt động qua chu kỳ tuần hoàn dài hoặc trải qua các điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ, điện áp, v.v.), các ion lithium thường bị tích tụ trên điện cực âm dưới dạng “lithium chết” hoặc “nhánh dendritic” phát triển xuyên qua các lỗ xốp của màng ngăn. Trong các trường hợp nghiêm trọng, chúng có thể dẫn đến việc đâm thủng màng ngăn, gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong pin và dẫn đến các vấn đề về an toàn. Do đó, việc xác nhận bằng hình ảnh trực quan và phân tích thành phần nguyên tố đối với cấu trúc bên trong của màng ngăn là vô cùng quan trọng cho các phân tích hỏng hóc của pin LIB.
Phương pháp chuẩn bị mẫu
Phương pháp mài ion ở nhiệt độ thấp có thể xử lý màng ngăn LIB để thu được cấu trúc mặt cắt ngang thực tế mà không bị ảnh hưởng bởi ứng suất cơ học hay hư hại do nhiệt. Mặt cắt ngang của màng ngăn LIB Celgard2325 đã qua tuần hoàn trong báo cáo này được xử lý bằng thiết bị mài ion Hitachi ArBlade5000 và quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi FE-SEM SU8600.
Điều kiện thử nghiệm và Thông số thiết bị
- Mẫu thử: Màng ngăn pin lithium Celgard2325 sau khi tuần hoàn.
- Thiết bị mài ion: ArBlade5000 kết hợp bộ kiểm soát nhiệt độ làm lạnh (CTC).
- Thông số mài ion: Điện áp gia tốc: 4 kV, Thời gian mài: 2h, Nhiệt độ: -40°C.
- Thiết bị SEM: SU8600.
- Thông số quan sát SEM: Điện áp gia tốc: 0.7 kV, Độ phóng đại: 3 kx (đối với ảnh a) và 30 kx (đối với ảnh b, c, d), Tín hiệu: UD-BSE.
- Thông số phân tích EDS: Thiết bị SU8600 tích hợp đầu dò X-max Extreme (Oxford Instruments), Điện áp gia tốc: 5 kV, Độ phóng đại: 30 kx, Thời gian phân tích: 7 phút.
Phân tích kết quả thực nghiệm
Ảnh tổng quan ở độ phóng đại thấp (a) cho thấy màng ngăn LIB Celgard2325 được cấu tạo bởi các lớp PP ở hai bên và một lớp PE ở giữa. Quan sát tổng thể cho thấy có một số điểm bị bít tắc xuất hiện ở từng lớp. Khi phóng đại cấu trúc các lớp PP/PE/PP lên 30.000 lần tương ứng như các ảnh (b), (c) và (d), kích thước lỗ xốp của từng lớp và sự phân bố chi tiết của các vị trí bít tắc có thể được quan sát một cách rõ ràng.
Hình 1: Kết quả cắt mặt cắt ngang của màng ngăn pin lithium Celgard2325 sau khi tuần hoàn
Để nghiên cứu sâu hơn về thành phần nguyên tố của các vị trí bít tắc, phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) đã được thực hiện trên mặt cắt ngang cắt bằng chùm ion của mẫu màng ngăn. Kết quả phân tích định vị nguyên tố ở Hình 2 cho thấy các vị trí bít tắc được cấu thành từ các nguyên tố C, O, P và F. Người ta giả định rằng các điểm bít tắc này có thể là hợp chất LiPxOyFz, vốn là sản phẩm phân hủy của chất điện phân trong quá trình vận hành pin.
Hình 2: Kết quả phân tích EDS mặt cắt ngang màng pin lithium Celgard2325 sau khi tuần hoàn
Kết luận và Ứng dụng thực tiễn
Dựa trên kết quả phân tích cấu trúc trực quan này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện cải tiến thêm đối với chất điện phân nhằm giảm thiểu sự hình thành các vị trí bít tắc, từ đó độ tin cậy và tuổi thọ của pin LIB có thể được nâng cao một cách hiệu quả. Sự kết hợp giữa thiết bị mài ion Hitachi và kính hiển vi FE-SEM mang lại một giải pháp hiệu quả thực tế và tối ưu cho việc nghiên cứu và phát triển màng ngăn pin lithium-ion.
Cấu hình thiết bị đề xuất
| Cấu hình đề xuất | Ghi chú |
|---|---|
| Máy mài ion ArBlade5000 | Thiết bị chuẩn bị mặt cắt ngang mẫu |
| Hệ thống kiểm soát nhiệt độ làm lạnh | Bộ kiểm soát nhiệt độ CTC chuyên dụng cho màng ngăn |
| SU8600 | Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) |
Từ khóa: Năng lượng mới / Pin ion Lithium / Màng ngăn / Mài ion / Mặt cắt ngang