Primary funding for the work was provided by the Electron Microscopy of Soft Matter Program from the Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division of the U.S. Department of Energy under Contract No. DE-AC02-05CH11231. The battery assembly portion of the project was supported by the BATT program from the Vehicle Technologies program, through the Office of Energy Efficiency and Renewable Energy under U.S. DOE Contract DE-AC02-05CH11231. Hard X-ray microtomography experiments were performed at the Advanced Light Source which is supported by the Director, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, of the U.S. Department of Energy under Contract No. DE-AC02-05CH11231. Katherine J. Harry was supported by a National Science Foundation Graduate Research Fellowship.

1. Preparação para electrólitos <ol><li> Sintetizar um 240 kg / mol - 260 kg / mol poli (estireno) - bloquear - e poli (óxido de etileno) copolímero (SEO) utilizando polimerização aniônica. <ol><li> Executar toda a preparação de amostra adicional em um porta-luvas Argon, onde os níveis de água e oxigênio são controlados e permanecer &lt;5 ppm. </li><li> Dissolve-se 0,3 g de polímero em N-metil-2-pirrolidona (NMP) com lítio bis seco (trifluorometano) sulfonimida (LiTFSI) sal. Use um sal LiTFSI em relação à massa SEO de 0,275 e um NMP a SEO relação de massa de 13,13. Nota: Esta quantidade de polímero irá produzir uma membrana grande o suficiente para fazer cerca de 20 amostras. </li><li> Molde toda a mistura de polímero e sal preparado nas etapas acima para um a cerca de 15 cm por 15 cm pedaço quadrado de folha de níquel utilizando uma lâmina de médico. Seca-se a película resultante a 60 ° CO / N. </li><li> Após a secagem, descascar a película da folha de níquel e deixar secar adicionalmente sob vácuo a 90 ° C. </li><li> Enrole o filme independente, resultando em folha de níquel e loja dentro de uma caixa estanque no porta-luvas para uso posterior. </li></ol></li></ol> 2. Lithium - Lithium Symmetric Preparação celular <ol><li> Use um 7/16 de diâmetro, metal soco rodada para cortar dois eletrodos de metal de lítio a partir de um rolo de 99,9%, a bateria de lítio-grade folha de metal. </li><li> Use uma meia de diâmetro soco de metal para cortar um pedaço de filme eletrólito de polímero. Nota: O metal de lítio é suave e mais fácil de perfurar do que o electrólito de polímero. </li><li> Sanduíche do filme eletrólito de polímero entre os dois eletrodos de metal de lítio e pressione as guias de níquel para os eletrodos. </li><li> Vácuo selar a amostra numa bolsa hermética de polipropileno e nylon forrado de alumínio. Nota: Um dos eletrodos de lítio é facilmente trocado com um cátodo quando se quer estudar uma bateria completa. </li></ol> 3. Symmetric celular ciclina<html> g <ol><li> Colocar a amostra selada a vácuo num forno mantido a 90 ° C e ciclo usando equipamento de ciclismo electroquímica. Aqueça a amostra durante o ciclismo para atingir condutividade iônica razoável através da membrana do eletrólito. Por razões de segurança, certifique-se de que a amostra não se aproximar do ponto de lítio de 180 ° C fusão do metal. </li><li> Passa uma densidade de corrente de 0,175 mA / cm2 através da amostra durante 4 horas e seguir com um 45 min de repouso. Em seguida, passar uma densidade de corrente de -0,175 mA / cm2 através da amostra durante 4 horas e seguir com um 45 min de repouso. Repita essa rotina ciclismo quantas vezes desejar. </li><li> Observar a resposta de tensão para esta densidade de corrente passada através de uma 30 m de espessura electrólito SEO e comparar com a que se mostra na Figura 1. Pare a rotina de ciclismo, quando a resposta de tensão da pilha cai para 0,00 V, porque a bateria falhou por curto-circuito que indica o o crescimento de dendrites de lítio. </li></ol>itle &quot;microtomografia Imaging&gt; 4 de raios-X Síncrotron duro. <ol><li> Após a célula simétrica é ciclada, trazer de volta para a caixa de luva e removê-lo de sua bolsa. </li><li> Use um perfurador de metal de 1/8 de polegada para cortar a porção central da cell.Vacuum selar a parte central da célula de material de embalagem e retire do porta-luvas para o transporte para a instalação de síncrotron. Nota: por imagiologia de uma amostra com um diâmetro reduzido, a quantidade de material do lado de fora do campo de visão do detector de raios-X é reduzida. Isso melhora a qualidade geral da imagem, reduzindo o ruído causado por este material extra. Além disso, a remoção dos raios X altamente absorvente colectores de corrente de níquel é necessário, para este desenho bolsa particular, a obtenção de imagens claras de raios-X. </li><li> Uma vez na linha de luz, usar fita de poliimida para fixar a amostra para o estágio da amostra. Se desejado, uma pequena fita de metal marcador em cima da amostra para auxiliar no alinhamento. Coloque o marcador de metal aproximadamente no centro do SAMPle para marcar o local em torno do qual a amostra irá girar uma vez alinhados. </li><li> Use 20 keV raios-X para a imagem da amostra com um tempo de exposição optimizada para o sistema. Otimizar o tempo de exposição ao equilibrar o tempo de varredura eo número de contagens por imagem. Estimar o tempo de varredura total multiplicando o tempo de exposição pelo número de imagens recolhidas. <ol><li> Aqui, utilizar um tempo de exposição de 300 ms, o que resulta em um tempo de leitura de 5 a 10 min. </li></ol></li><li> Medir o tamanho de pixel associado com as lentes ópticas no início de cada jornada de beamtime. Nota: Para a lente 4x usado para tirar a imagem mostrada na Figura 2, o tamanho do pixel foi de 1,61 pM / pixel. Lentes de ampliação Superior (10x e 20x) também estão disponíveis para uso. </li><li> Posicionar e alinhar a amostra em uma etapa de rotação com respeito ao sistema de detecção de modo a que permaneça no campo de visão do detector de medida que gira através de 180 °. </li><li> Posicione a amostra tão pertoo detector quanto possível, assegurando que a amostra não atingiu o detector em qualquer ângulo de rotação. Nota: Como a amostra para o detector a distância aumenta, o contraste de fase Fresnel se tornará mais pronunciada nas imagens reconstruídas. Isto pode obscurecer características e resultar em resolução mais pobre. Para as células de bolsa, o detector de amostra para a distância é tipicamente da ordem de 3 cm de distância a partir do detector. </li><li> Uma vez alinhados, execute uma varredura consiste de 1.025 imagens recolhidas ao longo de rotações de amostra entre 0 e 180 °. Recolha &quot;Campo brilhante&quot; (também conhecido como &quot;campo plano&quot; ou &quot;fundo&quot;) imagens ao mover a amostra para fora do campo de visão. Além disso, coletar imagens &quot;campo escuro&quot;, tomando imagens, enquanto o feixe está desligado. Use-os para normalizar as imagens da amostra para iluminação não homogênea, a resposta cintilador, e de resposta da câmera CCD. </li></ol> Reconstrução 5. Imagem <ol><li> Tomograficamentereconstruir o conjunto de 1.025 radiografias em uma pilha de imagens em que cada imagem representa uma fatia do volume utilizando o seguinte procedimento. <ol><li> Primeiro, normalizar as imagens subtraindo as imagens de &quot;campo escuro&quot; de ambas as imagens de radiografia e as imagens &quot;brilhante campo&quot;. Divida as imagens de radiografia resultantes divididas pelas imagens resultantes &quot;brilhante campo&quot;. </li><li> Em seguida, executar a reconstrução tomográfica, o processo pelo qual a série de ângulos de projecção é transformada em uma imagem 3D, nas imagens de radiografia normalizados de acordo com o protocolo do fabricante. Nota: O software de reconstrução gera uma série de imagens, cada uma representando uma fatia horizontal através do sample.When empilhadas, este conjunto de imagens reconstruídas formam um raio-X mapa absorção tridimensional da amostra. </li></ol></li><li> Visualize as fatias individuais ou a amostra em três dimensões para ver o que a amostra parece no interior.</li></ol> 6. Visualização de Dados e Processamento <ol><li> Usar um de uma multiplicidade de pacotes de software de processamento de imagem e fonte comercial aberto disponível para visualização e de análise de dados. 22, 23 </li><li> Ao abrir a pilha de imagens reconstruídas com o software desejado, criar orthoslices para mostrar o xy, xz e yz perspectivas dos dados reconstruídos. </li><li> Deslocar-se estas imagens e procurar características de interesse, como o lítio dendrite mostrado na Figura 2. </li><li> Em seguida, usar a segmentação (rotulagem digital) e ferramentas de renderização 3D para tornar o recurso de juros em três dimensões. </li><li> Para digitalmente segmento da imagem, criar um campo de rótulo e usar ferramentas de limiar para selecionar regiões da amostra correspondente a um material. </li><li> Para recriar uma imagem como a mostrada na Figura 2B, rotular o pixels lítio escuro e brilhante pixels eletrólito. Rotular o lítio contido nadendrite separadamente dos eléctrodos de topo e de fundo de lítio. <ol><li> Processar o lítio dendrítica em laranja eo eletrólito de polímero em azul. Tornar os eletrodos de lítio de metal superior e inferior em cinza e ajustar o valor de transparência para revelar o lítio dendrítica laranja. Gire essa reconstrução tridimensional para exibir a estrutura de muitas perspectivas. </li></ol></li></ol>

<ol>
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The authors have nothing to disclose.

A tomografia de raios-X disco é especialmente bem adequada para amostras sensível ao ar, como muitos materiais electroquimicamente activos, uma vez que os raios X podem penetrar através do material da bolsa de protecção, permitindo fácil de imagem da amostra sem exposição ao ar. Talvez a característica mais valiosa desta técnica de imagem é que os raios-X penetrantes permitem ao usuário ver o interior da amostra sem destruí-la. A maioria das técnicas de imagem comuns, como a microscopia eletrônica de varr...

Researchers are actively investigating battery chemistries with theoretical energy densities over an order of magnitude larger than traditional lithium-ion batteries.1,2 These high-energy-density batteries will make electric vehicles more competitive with their gasoline-powered counterparts.3 However, these new chemistries have several failure modes that preclude their use in commercial technologies. For example, these battery chemistries require a lithium metal anode to achieve large enhancements in energy density; unfortunately, lithium metal is prone to dendrite growth as lithium ions are reduced at the anode surface during charging.4-9 Additionally, breakage of active particles in the cathode and poor adhesion within the battery can cause cell failure.10
Many modes of battery failure occur on the micrometer scale. However, most battery materials are air sensitive making sample preparation for analysis by electron microscopy and traditional optical microscopy difficult. Synchrotron hard X-ray microtomography allows one to visualize the interior of a battery without disassembly.11-14 Furthermore, the technique produces a three-dimensional (3D) reconstruction of the assembled cell making it easy to find locations of failure.15 Finding robust techniques that enable researchers to develop the scientific understanding required to accurately predict the lifetime of a battery is critical for the design of next generation battery technologies. The procedure discussed herein will specifically demonstrate how one can prepare and image model batteries to study the growth of lithium metal dendrites through solid polymer electrolyte membranes.
Computed tomography (CT) scanning is not a new technique and has been used frequently for failure analysis in industry. Synchrotron-based X-ray microtomography is advantageous because the high brightness and flux of the source allow collection of images with high resolution and good signal to noise in a much shorter amount of time.16 Additionally, one can take advantage of the X-ray energy resolution to image at energies around a chemical species&#8217; absorption edge, causing the components containing that chemical species to be identified.17 It was found that the synchrotron source provides sufficient flux to achieve good contrast between lithium metal and solid polymer electrolyte membranes enabling one to image lithium metal dendrites.15
The study discussed herein uses a high modulus, block copolymer electrolyte membrane.18 These high modulus membranes suppress lithium dendrite growth, lengthening the lifetime of batteries.19,20 However, dendrites still eventually puncture the membrane causing the battery to fail by short-circuit. It is important to understand the nature of dendrite formation and growth in these high modulus electrolyte membranes in order to design strategies to prevent their growth.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Anhydrous N-methyl-2-pyrrolidone&#160;</td>
			<td>MILLIPORE</td>
			<td>MX1396-7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide</td>
			<td>MILLIPORE</td>
			<td>8438730010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium metal</td>
			<td>FMC Lithium</td>
			<td>None</td>
			<td>Lectro Max 100</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pouch material</td>
			<td>MTI Corporation</td>
			<td>EQ-alf-400-7.5M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nickel tabs</td>
			<td>MTI Corporation</td>
			<td>EQ-PLiB-NTA3</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

failure analysis of batteries using synchrotron-based hard x-ray microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent of lithium-ion batteries, researchers have known that the lithium metal anode has the highest theoretical energy density of any anode material. However, rechargeable batteries containing a lithium metal anode are not widely used in consumer products because the growth of lithium dendrites from the anode upon charging of the battery causes premature cell failure by short circuit. Lithium dendrites can also form in commercial lithium-ion batteries with graphite anodes if they are improperly charged. We demonstrate that lithium dendrite growth can be studied using synchrotron-based hard X-ray microtomography. This non-destructive imaging technique allows researchers to study the growth of lithium dendrites, in addition to other morphological changes inside batteries, and subsequently develop methods to extend battery life.

Quando as células de lítio-lítio simétricos descritas acima estão em ciclo a 90 ° C, a resposta de tensão parece que mostrado na Figura 1. Eventualmente, as dendrites de lítio irá crescer através do electrólito e levar a célula a falhar por um curto-circuito. Quando isso acontece, a resposta de tensão para a corrente aplicada irá cair para 0,00 V. dendrites, como o mostrado na Figura 2 aparecer em amostras que falharam por curto-circuito. ...

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Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Synchrotron-based hard X-ray microtomography is used to image the electrochemical growth of dendrites from a lithium metal electrode through a solid polymer electrolyte membrane.

Falha Análise de Baterias Usando baseado no Synchrotron microtomografia de raios-X dura

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

failure-analysis-batteries-using-synchrotron-based-hard-x-ray

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8.8K visualizações.  University of California Berkeley. Synchrotron-based hard X-ray microtomography is used to image the electrochemical growth of dendrites from a lithium metal electrode through a solid polymer electrolyte membrane.