„Nanoscale Research“ atveria kelią „naujos kartos“ ličio jonų baterijoms

Neseniai atliktas „Penn Engineering“ tyrėjų tyrimas pateikia naujos informacijos, kodėl ličio jonų baterijose esantys silicio jonai greitai skyla. Naudodami pažangias vaizdavimo technologijas – didelio kontrasto auksą siliciui apsaugoti – jie parodė, kaip anodo gabalėliai buvo įstrigę kiekvieno ciklo metu susidariusiame cheminiame sluoksnyje, palaipsniui pašalindami anodą, kol jis suyra. Paskola: „Penn Engineering“

Įkraunamos ličio jonų baterijos yra visur paplitusios, jomis maitinami išmanieji telefonai, planšetiniai kompiuteriai, nešiojamieji kompiuteriai ir, dar svarbiau, elektromobiliai. Todėl šias baterijas padaryti lengvesnes, mažesnes, pigesnes, greitesnes ir nepakenkti jų veikimui. Norėdami išspręsti šią problemą, mokslininkai ir inžinieriai kuria naujas elektrodines medžiagas, kurios gali laikyti daugiau ličio tame pačiame plote.

Vienas perspektyviausių sprendimų yra mišinio tipo medžiagos naudojimas neigiamame akumuliatoriaus elektrode, dar vadinamame anodu. Pavyzdžiui, vienas svaras silicio, gaminantis „lydinio tipo“ anodą, gali talpinti tiek ličio, kiek dešimties svarų grafitas, randamas „transplantacijos tipo“ anoduose, šiuo metu naudojamuose ličio jonų prekyboje. baterijos Tai reiškia, kad pakeitus antrąjį ankstesniu, anodas gali žymiai sumažėti 10 kartų daugiau šviesos թե:.

Nepaisant šio pažado, lydinio tipo anodai plačiai nepriėmė. Iš dalies taip yra todėl, kad ličio jonams nusėdus į lydinio silicio daleles, esančias anode, šios dalelės pradeda plėstis ir sklaidytis, dėl ko po kelių įkrovimo ciklų baterija sugenda. Sumažinus šių dalelių dydį, kad jų savybės būtų nanometrinėje skalėje, pavyzdžiui, nanoporinis silicis, sušvelninamas šio tipo skilimas, tačiau susiję mechanizmai nėra visiškai suprantami.

Šiuo metu paskelbtame tyrime ACS energijos raidės, „Penn Engineering“ tyrėjai atrado sudėtingą elektrocheminį procesą, vykstantį nanometrinėje skalėje, kai lydinio tipo anodai yra įkraunami ir išleidžiami. Geresnis supratimas apie degradaciją, kuri šiuo metu trukdo šiai perspektyviai energijos kaupimo medžiagų klasei, gali atverti duris naujiems, efektyvesniems baterijų projektams.

Anodo skaidymo procesas

Pagrindinis šio lydinio tipo anodo visiško skaidymo modelis prieš šį tyrimą pateiktas šio paveikslo viršuje. Kai ličio jonų akumuliatorius įkraunamas silicio anodu, silicio (šviesiai mėlynos) dalelės fiziškai padidėja, kai jos ima ličio jonus. Aplink šias ličio turinčias silicio daleles (tamsiai mėlynas) susidaro SEI arba kietojo elektrolito tarpfazės (pilkos spalvos) sluoksnis, kuris bus sulaužytas tik iškrovus akumuliatorių. Šis tyrimas suteikia naują supratimą apie degradacijos priežastį, kaip parodyta iliustracijos apačioje. Įkraunant silicio gabalėliai įstrigę SEI, paliekant pradinę dalelę akytą, kai SEI išsiskiria nuo jos iškrovimo metu. Kai šis procesas kartojasi, dalelė vis labiau traukiasi, kol galiausiai suyra. Paskola: „Penn Engineering“

Tyrimą atliko docentas Ericas Detzas, medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros vedėjas Stephensonas, antrosios pakopos studentas Johnas von Corsey ir Samuelis Welbornas. Jie bendradarbiavo su Ericu Stachu, MSE profesoriumi, Medžiagų struktūros tyrimų laboratorijos (LRSM) direktoriumi.

Kaip rodo jų pavadinimas, ličio jonų baterijos kaupia teigiamo elektrodo energiją ličio, dar vadinamo katodu, „medžiagos jų anode“ elektrochemine reakcija. Kai ličio jonai įkrovimo metu fiziškai patenka į anodo gardelių erdves, jie prisijungia prie medžiagos ir proceso metu sugeria elektronus. Iškrovus akumuliatorių, liitis pašalinamas, kad procesą būtų galima pakartoti, tačiau lydinio tipo anodų atveju anodo medžiaga auga ir ilgainiui skyla.

Šiuose procesuose yra daug tarpininkavimo žingsnių. Supratimas, kuo jie skiriasi nuo tankio silicio „nanoporinio silicio“, gali suteikti tam tikrą užuominą, kodėl pastarasis yra atsparesnis degradacijai. Tačiau šių procesų tyrimą paskatino iššūkis vaizduoti tokiomis mažomis skalėmis kaip atitinkamos silicio struktūros.

„Norėdami išspręsti šį iššūkį, – sako Detsy, – mes naudojome unikalų perdavimo elektronų mikroskopijos ir rentgeno spindulių sklaidos metodų derinį, kad ištirtume ličio jonų akumuliatorių odų anodų skilimą įkrovimo ir iškrovimo metu.

„Mes naudojome auksą, o ne silicį, nes auksas elektronų mikroskopijoje suteikia geresnį kontrastą nei silicis“, – priduria Welbornas. և Išleidimas. “Auksas taip pat išsklaido daugiau rentgeno spindulių nei silicis, todėl lengviau aptikti anodo struktūros pokyčius tų procesų metu.”

Šiam tyrimui komanda naudojo elektroninio mikroskopo objektą Singho nanotechnologijų centre, taip pat LRSM „Penn Dual Source և“ aplinkos rentgeno sklaidos (DEXS) įrenginį. Šių dviejų metodų rezultatai sudarė turtingą duomenų bazę, kuri leido tyrėjams atnaujinti anksčiau suprastą šio degradacijos proceso modelį.

Šios priemonės leido komandai išsiaiškinti svarbų emisijos etapą: storo SEI sluoksnio susidarymą ant akyto aukso paviršiaus.

„Kadangi ličio sandėlyje yra aukso, nanoporinės struktūros metalinių-auksinių ryšių tūris greitai plečiasi, galiausiai nutrūksta“, – sako Corsi. „Šie sulaužytų raiščių gabalai yra įstrigę aplinkiniame SEI sluoksnyje. “Kai procesas yra atvirkštinis, raiščiai susitraukia, kai pašalinamas liitis. Pasikeitus šiam tūriui, SEI sluoksnis, kuriame yra uždara medžiaga, plyšta ir atsiskiria nuo likusio elektrodo.”

Kai akumuliatorius įkraunamas, ant paviršiaus auga naujas SEI sluoksnis, surenkantis daugiau sulaužytų elektrodo gabalų. Ši žala kaupiasi per kelis įkrovimo ciklus, kai dideli elektrodo gabalai ilgainiui suskaidomi, todėl baterija greitai pablogėja.

Tyrėjai mano, kad suvokimas apie nanoporinį auksą turi toli siekiančių pasekmių kitoms labai ištirtoms, legiruoto tipo anodo medžiagoms, tokioms kaip silicio alavas. Suprasdami, kaip šie anodai laikui bėgant sugenda mechanizmus, mokslininkai galės kurti patvarias, daug energijos naudojančias baterijų medžiagas.

Nuoroda. Įsimeta į S. Corsi, Samuelis S. Welbornas, Erikas A. Stachas ric Ericas Decie „Įžvalgos apie anodo baterijų jonų lydinių skilimo mechanizmą“, 2021 m. Balandžio 12 d. ACS energijos raidės,
DOI: 10.1021 / acsenergylett.1c00324:

Šį tyrimą palaikė Nacionalinis mokslo fondas (NSF) (DMR-1720530) ir Vagelos energetikos mokslo ir technologijos institutas (VIEST) per 2018 m. VIEST alumnų stipendiją.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nuodingos kempinės apsaugo nuodingus paukščius ir varles nuo savo toksinų

Auksinė nuodų varlė, Phyllobates terribilis. Kreditas: Chris Wellner, Smithsonian nacionalinis zoologijos sodas Kalifornijos universiteto, San Francisko (UCSF), Stanfordo universiteto ir Kalifornijos mokslų akademijos (CAS)...

Didelė pažanga švarios energijos kuro elementų reakcijų srityje

Žinant geležies atomų tankį ir vietos dinamiką, pasiekiamas efektyvumo lygis kuro elementų oksidacijos reakcijoje, kuri niekada nebuvo realizuota. Kreditas: Teksaso universitetas Austine /...

Astronomai atranda mažytę uolėtą planetą – tik pusę Veneros masės

Šis grafinis simbolis rodo L 98-59b, vieną iš L 98-59 35 šviesmečių sistemos planetų. Sistemoje yra keturios patvirtintos uolienų planetos, kurios gali atsirasti...

Du antihipertenziniai vaistai apsaugo nuo tos pačios širdies ligos, bet skirtingo šalutinio poveikio

Analizuojant beveik 3 milijonus pacientų, vartojusių pirmuosius kraujospūdį mažinančius vaistus, angiotenzino receptorių blokatoriai (ARB) buvo tokie pat geri kaip ir angiotenziną konvertuojančių fermentų (AKF)...

Ličio jonų akumuliatorių „įkūrėjas“ padeda savo atradimu išspręsti 40 metų senumo problemą

Ličio jonų akumuliatorių su SNS neutronais įkūrėjas patvirtino, kad katodo medžiaga (mėlyna) be ličio niobio oksido (šviesiai žalia) žymiai sumažino pirmojo ciklo energijos nuostolius...

Newsletter

Subscribe to stay updated.