Osservazione e analisi di batterie agli ioni di litio e di batterie di nuova generazione

Struttura di base delle batterie agli ioni di litio

Ogni parte di una batteria agli ioni di litio, comprese le sue funzioni, è spiegata qui con una figura che mostra un tipico esempio della struttura di base di queste batterie.

Tipi e forme delle batterie agli ioni di litio

Le celle delle batterie agli ioni di litio, che presentano la struttura interna appena spiegata, sono ricoperte da involucri di varie forme e materiali. Di seguito vengono illustrate tre forme rappresentative di batterie agli ioni di litio, corredate da figure.

Tipo cilindrico

Si ritiene che le batterie agli ioni di litio cilindriche abbiano la massima densità di capacità al costo più basso. Tuttavia, quando si combinano più celle, si lasciano spazi vuoti tra le stesse, diminuendo la densità.

Tipo prismatico

Per le batterie prismatiche agli ioni di litio vengono spesso utilizzati involucri in alluminio. La polarità di una batteria prismatica cambia a seconda del materiale del contenitore, ferro o alluminio. Gli involucri in ferro hanno il terminale positivo sulla parte superiore, mentre quelli in alluminio hanno il terminale negativo sulla parte superiore.

Tipo laminato (batteria ai polimeri di litio)

Il tipo laminato è chiamato anche batteria ai polimeri di litio. Dal momento che l'utilizzo di una cella laminata con pellicole può ridurre lo spessore della batteria, questo tipo di batteria viene utilizzato per i dispositivi che devono essere più sottili, come smartphone e tablet.
Gli elettroliti tipici utilizzati per questo tipo sono gel contenenti polimeri come l'ossido di polietilene (PEO), l'ossido di polipropilene (PPO) e il polivinilidene difluoruro (PVDF).

Tipi e caratteristiche dei materiali utilizzati per gli elettrodi positivi e negativi delle batterie agli ioni di litio

Le caratteristiche, le applicazioni e persino i costi cambiano a seconda dei materiali utilizzati per l'elettrodo positivo o negativo delle batterie agli ioni di litio. Continua a leggere per conoscere alcuni dei tipi più diffusi e le loro caratteristiche.

Base di cobalto
Elettrodo positivo: ossido di litio e cobalto LiCoO2/Elettrodo negativo: grafite LiC6

Le batterie agli ioni di litio più utilizzate, soprattutto nei dispositivi mobili. Ma il cobalto è costoso e c'è il rischio di fuga termica, quindi presentano problemi di sicurezza per l'uso nei veicoli.

Nichel base
Elettrodo positivo: ossido di litio e nichel LiNiO2/Elettrodo negativo: grafite LiC6

Le batterie agli ioni di litio a base di nichel hanno la capacità maggiore. In passato c'erano problemi di sicurezza riguardo a questo tipo di prodotto. Tuttavia, la base NCA, prodotta sostituendo il cobalto a una parte del nichel e aggiungendo alluminio, ha migliorato la sicurezza di questo tipo, rendendone possibile l'utilizzo nei veicoli elettrici ibridi plug-in.

Base di manganese
Elettrodo positivo: ossido di litio e manganese LiMn2O4/Elettrodo negativo: grafite LiC6

Le batterie agli ioni di litio a base di manganese (base LMO) sono le più utilizzate nei veicoli perché il manganese è economico, circa un decimo del cobalto, e la sua struttura cristallina rigida è molto sicura perché ha un'elevata stabilità termica.

Base di fosfato di ferro
Elettrodo positivo: fosfato di ferro e litio LiFePO4/Elettrodo negativo: grafite LiC6

Le batterie agli ioni di litio che utilizzano il fosfato di ferro hanno una struttura cristallina molto sicura, perché è difficile che si rompa anche quando viene riscaldata nelle batterie. Un altro vantaggio è che questo tipo può essere prodotto a costi ancora più bassi rispetto alle batterie al manganese che utilizzano il ferro. Uno svantaggio di questo tipo è la sua bassa densità energetica.

Base tricomponente
Elettrodo positivo: il nichel e il manganese sono sostituiti da una parte dell'ossido di litio e cobalto Li(Ni-Co-Mn)O2/Elettrodo negativo: grafite LiC6

Le batterie agli ioni di litio a tre componenti, dette anche batterie a base di NCM, utilizzano tre componenti - cobalto, nichel e manganese - per aumentare la sicurezza. Come per le batterie a base di NCA, questo tipo di batterie è utilizzato nei veicoli elettrici ibridi plug-in.

Base di acido titanico
Elettrodo positivo: ossido di litio e manganese LiMn2O4/Elettrodo negativo: titanato di litio Li4Ti5O12

Le batterie agli ioni di litio basate sull'acido titanico hanno una lunga durata, circa sei volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio tradizionali che utilizzano la grafite per l'elettrodo negativo, e si caricano anche molto rapidamente; tuttavia, hanno una bassa densità di energia, il che rappresenta uno svantaggio.

Batterie di nuova generazione che si prevede diventeranno disponibili e diffuse

Con l'ampliamento delle applicazioni, come l'utilizzo nei veicoli elettrici (EV), si prevede che le batterie secondarie di prossima generazione saranno ancora più sicure e avranno capacità ancora maggiori. Molte aziende, indipendentemente dalle loro dimensioni, stanno lavorando allo sviluppo di batterie secondarie di nuova generazione per migliorare il loro futuro commerciale.

Batteria al litio-aria

Alcuni studi suggeriscono che la densità di capacità può, in teoria, superare i 10000 Wh/kg. Nei test è stato confermato che questa caratteristica raggiunge circa 600 Wh/kg. Tuttavia, è facile che si formino depositi sul litio metallico, utilizzato per l'elettrodo negativo. Pertanto, la sicurezza di questo metallo può diminuire e le sue caratteristiche potrebbero deteriorarsi quando reagisce con l'umidità dell'aria.

Batteria a stato solido

Le batterie a stato solido utilizzano un elettrolita solido come separatore invece degli elettroliti liquidi utilizzati nelle batterie agli ioni di litio. Questo consente di produrre batterie a stato solido di varie forme e di non avere perdite di liquido. Si ritiene che la densità di capacità teorica sia di almeno 2000 Wh/kg. Si tratta, tuttavia, di un valore solo teorico. La ricerca e lo sviluppo sono attualmente in corso con l'obiettivo di mettere in pratica questo tipo di batteria con una densità di capacità di 500 Wh/kg o più. Questo tipo di batteria può caricarsi e scaricarsi ad alta velocità e difficilmente si deteriora anche dopo molti cicli di carica.
Gli elettroliti solidi sono disponibili in due tipi: a base di zolfo e a base di ossigeno. L'elettrolita a base di zolfo ha caratteristiche superiori, ma presenta il rischio di generare idrogeno solforato quando viene acceso o interagisce con l'acqua. La produzione di batterie a stato solido è iniziata con quelle di piccole dimensioni per i dispositivi elettronici.

Batteria agli ioni di litio di nuova generazione

Per l'elettrodo negativo vengono utilizzati silicio e grafene. Questo tipo di batteria è in fase di ricerca e sviluppo per aumentarne la capacità utilizzando i processi produttivi esistenti. I ricercatori sono particolarmente interessati a questa batteria per la sua capacità di aumentare le velocità di carica e scarica quando si passa a elettroliti diversi.

Batteria al litio-zolfo

Le batterie al litio-zolfo possono avere una densità di capacità teorica di 2500 Wh/kg, superiore a quella delle batterie a stato solido, e non utilizzano materiali costosi come il cobalto. Grazie a queste caratteristiche, è possibile prevedere grandi capacità a costi contenuti. Allo stesso tempo, le batterie al litio-zolfo hanno una bassa conduttività e una bassa stabilità e possono deteriorarsi quando vengono caricate più volte.

Batteria agli ioni di sodio

Sebbene la densità di capacità sia pari o leggermente inferiore a quella delle attuali batterie agli ioni di litio, le batterie agli ioni di sodio possono essere prodotte a costi contenuti perché non è necessario l'uso di metalli rari ed è possibile impiegare le attrezzature di produzione già esistenti. Come le attuali batterie agli ioni di litio, le batterie agli ioni di sodio presentano problemi di sicurezza, come l'elevata reattività dei depositi di sodio, e le loro caratteristiche possono deteriorarsi dopo molti cicli di carica.

Problemi di osservazione e analisi con microscopi tradizionali

I produttori sono in competizione per sviluppare batterie agli ioni di litio più sicure e con prestazioni più elevate e per produrre tecnologie superiori prima della concorrenza, il che richiede garanzia e controllo della qualità.
Pertanto, l'osservazione, l'analisi, la valutazione quantitativa e persino la velocità di queste operazioni sono importanti e sono fattori chiave di successo sia per i test che per l'assicurazione della qualità nello sviluppo e nel miglioramento delle batterie secondarie.
Allo stesso tempo, l'osservazione e l'analisi con i microscopi tradizionali presentano i seguenti problemi.

• La regolazione della messa a fuoco e la determinazione delle condizioni di illuminazione sono difficili per gli obiettivi tridimensionali o per quelli che presentano graffi sottili con basso contrasto. Su questi obiettivi, la posizione della messa a fuoco varia da operatore a operatore, con conseguenti errori nei risultati della valutazione.
• Può verificarsi riverbero durante l'osservazione di aree contenenti un mix di materiali con superfici lucide diverse. È difficile determinare le impostazioni di illuminazione appropriate per osservare questi target, il che spesso causa errori nell'analisi.
• L'allineamento di un campione e la modifica dell'angolo richiedono tempo e risorse.
• Per contare i contaminanti e osservare da vicino le particelle estranee secondo gli standard industriali applicabili, l'impostazione può essere macchinosa e richiedere molto tempo e risorse. Inoltre, per acquisire risultati di analisi e valori quantitativi accurati è necessario un elevato livello di competenza.
• I valori misurati e i conteggi non vengono memorizzati come dati numerici, il che richiede molto tempo e impegno per il lavoro successivo, come l'analisi, la valutazione e la creazione di report.

Se si verificano i problemi di cui sopra, di seguito vengono illustrati alcuni esempi di come il microscopio digitale KEYENCE della Serie VHX consenta a qualsiasi operatore di acquisire immagini ad alta risoluzione con messa a fuoco completa e dati accurati.

Conteggio di particelle estranee (analisi della contaminazione conforme agli standard ISO)

La Serie VHX è in grado di misurare la contaminazione secondo gli standard di pulizia ISO 16232 e VDA 19. Utilizzando la funzione di conteggio e misurazione automatica dell’area, la contaminazione (particelle estranee) può essere facilmente e accuratamente contata e misurata, anche su target con irregolarità superficiali.
Utilizzando le funzioni avanzate della Serie VHX, gli operatori possono selezionare un contaminante specifico e il piatto si sposterà automaticamente in posizione, consentendo di osservare da vicino il contaminante selezionato ad alti ingrandimenti nella stessa immagine. Di conseguenza, le particelle estranee possono essere facilmente identificate in tempi più brevi rispetto all'uso di microscopi tradizionali. Inoltre, combinando le funzioni di composizione della profondità e di misurazione dell'altezza 3D, gli operatori possono facilmente osservare e quantificare le misure anche su bersagli che presentano irregolarità superficiali.

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Osservazione di graffi sui separatori

La testa completamente integrata (FI) della Serie VHX può passare automaticamente da un obiettivo all'altro e regolare l'ingrandimento da 20x a 6000x. La nostra unità di illuminazione integrata consente alla Serie VHX di osservare chiaramente qualsiasi bersaglio utilizzando campo chiaro, campo scuro, polarizzazione e contrasto di interferenza differenziale (DIC).
Ad esempio, i graffi sottili sulle superfici dei separatori, difficili da osservare con i microscopi tradizionali, possono essere visualizzati facilmente e rapidamente in un'immagine ad alta risoluzione acquisita con il DIC.

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Osservazione di materiali elettrodici negativi spellati

Il microscopio digitale della Serie VHX è dotato di un'ampia profondità di campo e di metodi di osservazione avanzati, che consentono di ottenere immagini ad alta risoluzione e completamente a fuoco nell'intero campo di osservazione, anche se l'obiettivo ha una superficie lucida.

Inoltre, con la funzione Illuminazione multiangolare, i dati delle immagini vengono acquisiti automaticamente con un'illuminazione omnidirezionale premendo un pulsante. L'immagine con illuminazione ottimale può essere acquisita selezionando la più adatta tra le immagini acquisite. Dal momento che vengono memorizzate anche immagini diverse da quella selezionata, gli operatori possono facilmente richiamare in qualsiasi momento le altre immagini catturate in condizioni di illuminazione diverse. Inoltre, le condizioni utilizzate per catturare un'immagine passata possono essere riprodotte automaticamente e utilizzate per osservare un altro campione dello stesso tipo, riducendo così gli errori umani nell'osservazione e nella valutazione.

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Osservazione delle sezioni saldate sui contenitori delle batterie

La qualità della saldatura utilizzata per sigillare il coperchio o lo sportello degli involucri quadrati è molto importante per garantire la sicurezza delle batterie agli ioni di litio.

L'utilizzo della modalità Effetto ombra ottico sulla Serie VHX consente agli operatori di visualizzare facilmente le sottili irregolarità della superficie analizzando lo spostamento (contrasto) in un'immagine acquisita con illuminazione omnidirezionale.
Le informazioni sui colori possono essere sovrapposte all'immagine in modalità Effetto ombra ottico per visualizzare le informazioni sulle irregolarità della superficie in modo facilmente comprensibile, rappresentando le informazioni sulle irregolarità della superficie con colori diversi (mappatura a colori).

Non solo è possibile misurare con precisione le irregolarità della superficie sull'immagine selezionata, ma anche utilizzare le immagini memorizzate dello stesso campione, con un conseguente risparmio di tempo, dal momento che non è più necessario recuperare le immagini come con i sistemi tradizionali.
Dal momento che Excel può essere installato sulla Serie VHX, tutte le immagini e i dati di misura possono essere esportati automaticamente in un report, riducendo in modo significativo il tempo dedicato alla creazione dei report.

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