Quantitative electron diffraction tomography for structure characterization of cathode materials for Li-ion batteries

Datum: 2 juli 2018

Locatie: Campus Groenenborger, U0.24 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen (route: UAntwerpen, Campus Groenenborger)

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Olesia Karakulina

Promotor: Joke Hadermann, Artem Abakumov

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Olesia Karakulina - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Oplaadbare batterijen spelen een cruciale rol in het ontwikkelen van hernieuwbare energie en het verminderen van luchtvervuiling. Een batterij is een dynamisch systeem dat elektriciteit omzet in chemische energie en omgekeerd aan de hand van oxidatie/reductie reacties. Aangezien deze processen de electrochemische eigenschappen bepalen, is het van groot belang om deze te begrijpen. In het geval van Li-ion batterijen is het actieve gedeelte van de kathode een anorganische fase bestaande uit een complexe matrix of een gelaagde structuur gevuld met Li-ionen. Tijdens  het laden en ontladen worden de Li-ionen op een reversibele manier verwijderd en teruggeplaatst. Hoe de anorganische structuur zich aanpast aan de verandering in de Li concentratie heeft een grote impact op de prestatie van de batterij. Het is echter een uitdaging om de verschillende variaties in de kristalstructuur te karakteriseren vanwege de complexe aard van de kathodes die zowel het actieve katodemateriaal als verscheidene amorfe additieven bevatten. De meest gebruikte experimentele techniek voor het bepalen van de structuur is poeder X-stralen diffractie (PXRD). Deze techniek volstaat vaak niet om de structurele details te verfijnen voor dergelijke gemengde materialen. Daarom worden op dit moment state-of-art grote faciliteiten zoals synchrotron- en neutronenbronnen gebruikt om dit probleem op te lossen.

In deze thesis wordt een alternatieve methode voorgesteld, namelijk kwantitatieve elektronen diffractiemet behulp van transmissie elektronenmicroscopie (TEM). Elektronen diffractie tomografie (EDT) werd iets meer dan een decennium geleden ontwikkeld. Deze techniek maakt het mogelijk om kristallografische informatie te verkrijgen van een submicrometer kristal zonder voorafgaande kennis te gebruiken. Hierdoor kunnen materialen met meerdere fasen met succes worden onderzocht. Ook maakt deze techniek het mogelijk om lichte atomen zoals Li te detecteren, hoewel succesvolle verfijning van de Li-bezetting nog niet eerder werd aangetoond in de literatuur. Daarom is het doel van deze thesis om de mogelijkheid te onderzoeken om EDT te gebruiken voor de complete structuurkarakterisering van kathodematerialen inclusief de verfijning van Li-bezetting en om de degradatiemechanismen bij gebruik te onderzoeken met ex situ en in situ TEM.



Link: http://www.uantwerpen.be/wetenschappen