Pramonės naujienos

Ličio jonų vaikymasis greitai įkraunama baterija

2021-08-09



Minios elektrocheminės ląstelės, kurią mokslininkai sukūrė, kad gautų ličio jonus (oranžinius), judančius LTO (mėlyna) grotelėje, schema. Kreditas: Brookhaven nacionalinė laboratorija

 

JAV Energetikos departamento (DOE) Brookhaven nacionalinės laboratorijos ir Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos vadovaujama mokslininkų komanda realiu laiku užfiksavo, kaip ličio jonai juda ličio titanate (LTO), greitai įkraunamo akumuliatoriaus elektrodo medžiagoje, pagamintoje iš ličio ir titano. , ir deguonies. Jie atrado, kad iškreiptas ličio ir aplinkinių atomų išdėstymas LTO „tarpiniuose produktuose“ (LTO struktūros, kurių ličio koncentracija yra tarp pradinės ir galutinės būsenos) suteikia „ekspresinę juostą“ ličio jonų transportavimui. Jų atradimas, apie kurį pranešta vasario 28 d. žurnale „Science“, galėtų padėti kurti patobulintas akumuliatorių medžiagas, skirtas greitai įkrauti elektrines transporto priemones ir nešiojamą buitinę elektroniką, pavyzdžiui, mobiliuosius telefonus ir nešiojamuosius kompiuterius.

 

„Apsvarstykite, kad pripildyti automobilio degalų baką užtrunka tik kelias minutes, o įkrauti elektromobilio akumuliatorių – kelias valandas“, – sakė bendraautorius Feng Wang, medžiagų mokslininkas iš Brookhaven Lab Tarpdisciplininių mokslų skyriaus. „Išsiaiškinkite, kaip padarytiličioJonai greičiau juda elektrodų medžiagose, nes tai gali padėti mums sukurti geresnes baterijas su labai trumpesniu įkrovimo laiku.

 

Ličio jonų akumuliatoriai veikia maišydami ličio jonus tarp teigiamo ir neigiamo elektrodo (katodo ir anodo) per cheminę terpę, vadinamą elektrolitu. Grafitas dažniausiai naudojamas kaip anodas naujausiuose įrenginiuoseličio jonųbaterijas, tačiau greito įkrovimo programoms LTO yra patraukli alternatyva. LTO gali greitai sutalpinti ličio jonus, nenukentėdamas nuo ličio dengimo (ličio nusėdimo ant elektrodo paviršiaus, o ne viduje).

 

Kadangi LTO talpina litį, jis iš pradinės fazės (Li4Ti5O12) virsta galutine faze (Li7Ti5O12), kurių abiejų ličio laidumas yra prastas. Taigi mokslininkai buvo sumišę, kaip LTO gali būti greito įkrovimo elektrodas. Norint suderinti šį paradoksą, reikia žinoti, kaip ličio jonai difunduoja tarpinėse LTO struktūrose (tose, kurių ličio koncentracija yra tarp Li4Ti5O12 ir Li7Ti5O12), o ne statinio vaizdo, gauto tik iš pradinės ir pabaigos fazių. Tačiau atlikti tokį apibūdinimą yra nereikšminga užduotis. Ličio jonai yra lengvi, todėl jiems sunku naudoti tradicinius elektronų ar rentgeno spindulių zondavimo būdus, ypač kai jonai greitai maišosi aktyviose medžiagose, pvz., LTO nanodalelėse veikiančiame akumuliatoriaus elektrode.

 

Šiame tyrime mokslininkai sugebėjo stebėti ličio jonų migraciją LTO nanodalelėse realiu laiku, suprojektuodami elektrocheminį elementą, kuris veiktų perdavimo elektronų mikroskopo (TEM) viduje. Šis elektrocheminis elementas leido komandai atlikti elektronų energijos nuostolių spektroskopiją (EELS) akumuliatoriaus įkrovimo ir iškrovimo metu. EELS matuojamas elektronų energijos pokytis po to, kai jie sąveikauja su mėginiu, siekiant atskleisti informaciją apie mėginio vietines chemines būsenas. Be to, kad EELS yra labai jautrus ličio jonams, EELS, atliekamas TEM viduje, užtikrina didelę skiriamąją gebą tiek erdvėje, tiek laike, reikalingos jonų pernešimui nanodalelėse užfiksuoti.

 

„Komanda susidūrė su daugialypiu iššūkiu, kurdama elektrochemiškai funkcionalų elementą – kad elementų ciklas būtų panašus į įprastą bateriją, tuo pačiu užtikrinant, kad jis būtų pakankamai mažas, kad tilptų į milimetro dydžio TEM kolonėlės mėginio erdvę“, – sakė bendraautorius. vyresnysis mokslininkas Yimei Zhu, vadovaujantis Brookhaveno kondensuotųjų medžiagų fizikos ir medžiagų mokslo (CMPMS) skyriaus elektronų mikroskopijos ir nanostruktūrų grupei. zonduojančių elektronų skaidrumas TEM."

 

Gautuose EELS spektruose buvo informacijos apie ličio užimtumą ir vietinę aplinką įvairiose LTO būsenose, vykstant įkrovimui ir iškrovimui. Norėdami iššifruoti informaciją, mokslininkai iš naujų medžiagų tyrimų skaičiavimo ir eksperimentinio projektavimo (CEDER) grupės Berklyje ir Funkcinių nanomedžiagų centro (CFN) Brukhavene imitavo spektrus. Remdamiesi šiais modeliavimais, jie nustatė atomų išdėstymą iš tūkstančių galimybių. Siekdama nustatyti vietinės struktūros įtaką jonų pernešimui, CEDER grupė apskaičiavo ličio jonų migracijos energetinius barjerus LTO, naudodama kvantine mechanika pagrįstus metodus.

 

Ličio jonai greitai juda „lengvais keliais“ tarpinėse LTO konfigūracijose. Įsivaizduokite, kad LTO grotelės yra lenktyninio automobilio kliūčių ruožas, kurį turi įveikti ličio jonai. Pradinėje fazėje (Li4Ti5O12) ir galutinėje fazėje, kuri virsta, kad tilptų ličio jonai (Li7Ti5O12), LTO turi atominę konfigūraciją, kuriai trukdo daug kliūčių. Taigi, ličio jonai turi lėtai keliauti per kliūčių ruožą. Tačiau tarpinėse LTO konfigūracijose (tokiose kaip Li5 + xTi5O12, parodytos filme) išilgai šių dviejų fazių ribos atsiranda vietiniai litį supančių atomų išdėstymo iškraipymai. Šie iškraipymai šiek tiek pašalina kliūtis iš kelio, todėl ličio jonai gali greitai pereiti prie greitosios juostos. Kreditas: Brookhaven nacionalinė laboratorija

 

„Skaičiavimo modeliavimas buvo labai svarbus norint suprasti, kaip litis gali taip greitai judėti per šią medžiagą“, – sakė bendraautorius ir CEDER grupės vadovas Gerbrandas Cederis, Berklio universiteto Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros kanclerio profesorius ir vyresnysis fakulteto mokslininkas. Medžiagų mokslo skyrius Berklio laboratorijoje. "Kadangi medžiaga sunaudoja ličio, atomų išdėstymas tampa labai sudėtingas ir sunkiai suvokiamas naudojant paprastas transporto idėjas. Skaičiavimai patvirtino, kad dėl ličio jonų susigrūdimo jie yra labai mobilūs."

 

"Svarbus šio darbo aspektas buvo eksperimento ir modeliavimo derinys, nes modeliavimas gali padėti mums interpretuoti eksperimentinius duomenis ir sukurti mechaninį supratimą", - sakė bendraautorius Deyu Lu, CFN teorijos ir skaičiavimo grupės fizikas. „Skaičiavimo spektroskopijos patirtis, kurią per daugelį metų kūrėme CFN, atlieka svarbų vaidmenį šiame bendradarbiavimo projekte nustatant pagrindinius spektrinius pirštų atspaudus EELS ir atskleidžiant jų fizinę kilmę atominėse struktūrose ir jų elektronines savybes.

 

Grupės analizė atskleidė, kad LTO turi metastabilias tarpines konfigūracijas, kuriose atomai nėra įprastoje vietoje. Šie vietiniai „daugiakampiai“ iškraipymai sumažina energijos barjerus, sudarydami kelią, kuriuo ličio jonai gali greitai keliauti.

 

„Skirtingai nei dujos, laisvai tekančios į jūsų automobilio dujų baką, kuri iš esmės yra tuščia talpa, ličiui reikia „kovoti“ į LTO, o tai nėra visiškai atvira konstrukcija“, – paaiškino Wang. "Kad patektų ličio, LTO transformuojasi iš vienos struktūros į kitą. Paprastai tokia dviejų fazių transformacija užtrunka, o tai riboja greito įkrovimo galimybes. Tačiau šiuo atveju ličio talpa yra greičiau nei tikėtasi, nes vietiniai iškraipymai LTO atominė struktūra sukuria atviresnę erdvę, pro kurią lengvai gali prasiskverbti litis. Šie labai laidūs keliai vyksta ties gausiomis ribomis, esančiomis tarp dviejų fazių.

 

Tada mokslininkai ištirs LTO apribojimus, pvz., šilumos generavimą ir pajėgumų praradimą, susijusį su dideliu greičiu važinėjant dviračiu – realioms reikmėms. Nagrinėdami, kaip LTO elgiasi po to, kai pakartotinai absorbuoja ir išskiria ličio esant skirtingam važiavimo dviračiu greičiui, jie tikisi rasti priemonių šioms problemoms išspręsti. Šios žinios padės kurti praktiškai tinkamas elektrodų medžiagas greito įkrovimo baterijoms.

 

„Šiame darbe tarpinstitucinės pastangos, jungiančios in situ spektroskopiją, elektrochemiją, skaičiavimus ir teoriją, sukūrė modelį būsimiems tyrimams“, - sakė Zhu.

 

„Tikimės atidžiau išnagrinėti greito įkrovimo elektrodų transportavimo elgseną, pritaikydami mūsų naujai sukurtą elektrocheminį elementą prie galingų elektronų ir rentgeno mikroskopų Brookhaven CFN ir Nacionalinio sinchrotroninio šviesos šaltinio II (NSLS-II)“, - sakė Wang. „Panaudodami šiuos pažangiausius įrankius galėsime gauti išsamų vaizdą apie ličio transportavimą vietinėse ir masinėse mėginių struktūrose važiuojant dviračiu realiu laiku ir realiomis reakcijos sąlygomis.