Tehnike
Delo raziskovalne skupine je osredotočeno na razvoj in razumevanje delovanja različnih elektrokemijskih sistemov. Glavni cilj raziskav je razvoj učinkovitih sistemov za shranjevanje električne energije. Lastnosti preiskovanih elektrokemijskih sistemov določimo s pomočjo več instrumentalnih metod. Elektrokemijske sisteme najprej okarakteriziramo z elektrokemijskimi tehnikami kot so galvanostatske meritve. Tovrstne meritve nam povedo, kako primerni so preiskovani sistemi za shranjevanje električne energije. Sledijo raziskave s komplementarnimi tehnikami, s katerimi poskušamo pridobiti mehanistični vpogled v preiskovane sisteme.
Med pogosto uporabljene instrumentalne tehnike spadajo elektrokemijska impedančna spektroskopije (EIS), fotoelektronska spektroskopija (PES), dvo žarkovna mikroskopija FIB-SEM, transmisijska elektronska mikroskopija (TEM), vrstična elektronska mikroskopija (SEM), jedrska magnetna resonance (NMR), itd. Za razlago pojavov in obnašanja elektrokemijskih sistemov si pomagamo tudi z računskimi metodami (npr. teorija gostotnega funkcionala, DFT). Nekatere izmed omenjenih metod so opisane v spodnjem besedilu.
Impedančna spektroskopija
Impedančna spektroskopija (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) je elektrokemijska tehnika, kjer sistem vzbujamo s signalom izmeničnega toka ali napetosti z majhno amplitudo. Meritev se posname pri več različnih frekvencah, pri čemer vsaka frekvenca pomeni eno točko v impedančnem spektru. Tehnika je unikatna v svoji zmožnosti ločitve procesov glede na njihovo časovno konstanto. Tako lahko ločimo med prispevki migracije, reakcije in difuzije. Spektre lahko simuliramo z uporabo ekvivalentnih vezij sestavljenih iz uporov in kondenzatorjev. V našem laboratoriju smo razvili tudi lestvičaste modele za simulacije impedančnih spektrov, ki imajo direktno povezavo s fizikalnim ozadjem procesov in omogočajo določitev pomembnih parametrov (prevodnosti, difuzijskega koeficienta, transportnega števila) in napoved spremembe v spektrih za različne scenarije degradacije celic (izsušitev, rast pasivnega filma, ipd.).
Fotoelektronska spektroskopija
Fotoelektronska spektroskopija (ang. photoelectron spectroscopy, PES) je spektroskopska tehnika, ki temelji na fotoelektronskem pojavu. Vzorce obsevamo z rentgenskimi ali UV-žarki, pri čemer interakcija med fotoni in snovjo povzroči emisijo fotoelektronov. Izsevane fotoelektrone zaznamo z detektorjem, s katerim izmerimo njihovo kinetično energijo. Nato na podlagi določene kinetične energije izračunamo vezavno energijo izsevanih fotoelektronov. S pomočjo PES lahko torej določimo elektronsko strukturo zvrsti v vzorcu.
S poznavanjem elektronske strukture lahko dostopamo do vrste informacij o danem vzorcu. PES med drugim omogoča kvalitativno in kvantitativno analizo vzorca. Tehnika je še posebej uporabna, ker lahko poleg elementne sestave s tehniko določimo kemijsko okolje (oksidacijska števila) posameznih elementov. PES je povšinsko občutljiva tehnika z globino vzorčenja nekaj nanometrov. Zaradi površinske občutljivosti jo pogosto uporabljamo za preizskovanje površinske sestave in procesov, ki potekajo na površinah.
Dvo žarkovna mikroskopija FIB-SEM
Dvo žarkovna mikroskopija “Focused Ion Beam – Scanning Electron Microscopy” (FIB-SEM) se uporablja za analizo površine in presekov materialov na specifičnih lokacijah. FIB-SEM omogoča vpogled v morfologijo in kemijsko sestavo vzdolž ionsko poliranega preseka ter opazovanje sveže izpostavljenih površin oziroma medfaznih stikov. Instrument se lahko uporablja tudi za nano-fabrikacijo, pripravo TEM vzorcev, 3D tomografijo in depozicijo tankih prevodnih ali dielektričnih filmov preko induciranja reagentov z ionskim snopom.
Pri FIB-SEM analizi baterijskih materialov uporabljamo namenski vakuumski nosilec, ki omogoča pripravo vzorcev v suhi komori napolnjeni z argonom in direktni prenos v komoro FIB-SEM mikroskopa. Zaradi občutljivosti baterijskih materialov na elektronski snop smo razvili posebne tehnike priprave ionsko poliranih presekov ter tanjšanja lamel iz specifičnih lokacij vzorca. Sveže izpostavljene preseke opazujemo z uporabo nizkih napetosti SEM z monokromatskim elektronskim snopom, kar omogoča visoko-ločljivo slikanje in detekcijo nano-kompozitnih razlik. Za kemijsko analizo uporabljamo najsodobnejše tehnike spektrometrije rentgenskih žarkov (EDS), ki omogočajo kvantitativno analizo kot tudi analizo kvantitativne distribucije elementov na sub-mikrometrskem nivoju.
UV-Vis
UV/VIS spektrofotometrija močna analitska metoda za in situ proučevanje polisulfidov. Skozi interakcije, ki se pojavljajo med različnimi molekulami polisulfidov, dolžino verig in UV/VIS sevanja je mogoče kvantitativno in kvalitativno določiti polisulfide, ki nastajajo med delovanjem Li-S celice. Celica je sestavljena tako, da vsebuje kvarčno okno preko katerega spremljamo obarvanje separatorja s polisulfidi.
Sinhrotronske meritve (XANES, EXAFS)
Razvita in situ elektrokemijska celica z berilijevim oknom omogoča vpogled v strukturno elektrodnih materialov ob sočasnem elektrokemijskem merjenju. Takšen način merjenja uporabljamo pri različnih sinhrotronskih eksperimentih. V ta namen uporabljamo različne karakterizacijske tehnike kot je sinhrotronskega rentgenska absorpcija (XANES, EXAFS), kjer imamo vpogled v strukturne spremembe materialov.
IR
Razvili smo novo tehniko spremljanja sprememb v organskih katodnih materialih med samim delovanjem akumulatorja s pomočjo infrardeče spektroskopije. Celica je sestavljena tako, da vsebuje silicijevo okno, katero je prepustno za IR žarke. S to metodo lahko med samim delovanjem kovinsko-organskih akumulatorjev spremljamo mehanizem delovanja organskih katod ter degradacijo materiala po daljšem polnjenjem in praznjenjem.
