Pramonės naujienos

Mokslininkai sužino daugiau apie pirmąsias ličio jonų baterijos veikimo valandas

2021-08-09


Mokslininkai specialiai sukurtą ličio jonų bateriją įkelia į antrinį jonų masės spektrometrą, kuris leidžia stebėti kietojo elektrolito tarpfazės susidarymą molekuliniu lygiu, kol baterija veikia. Kreditas: Andrea Starr / PNNL

 

Pirmosios ličio jonų baterijos veikimo valandos daugiausia lemia, kaip gerai ji veiks. Tomis akimirkomis molekulių rinkinys savaime susirenka į baterijos viduje esančią struktūrą, kuri paveiks akumuliatorių daugelį metų.

 

Šis komponentas, žinomas kaip kietojo elektrolito tarpfazė arba SEI, turi lemiamą užduotį blokuoti kai kurias daleles, o kitoms leisti prasiskverbti, pavyzdžiui, smuklės atmetantis nepageidaujamus daiktus ir įleidžiantis blizgesį. Struktūra buvo mįslė mokslininkams, kurie ją tyrinėjo dešimtmečius. Tyrėjai pasinaudojo keliomis technikomis norėdami sužinoti daugiau, bet niekada – iki šiol – nebuvo matę jos kūrimo molekuliniu lygmeniu.

 

Sužinoti daugiau apie SEI yra svarbus žingsnis kuriant energingesnes, ilgaamžes ir saugesnes ličio jonų baterijas.

 

Sausio 27 d. žurnale „Nature Nanotechnology“ paskelbtą darbą atliko tarptautinė mokslininkų komanda, kuriai vadovavo JAV Energetikos departamento Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos ir JAV armijos tyrimų laboratorijos mokslininkai. Atitinkami autoriai yra Zihua Zhu, Chongmin Wang ir Zhijie Xu iš PNNL ir Kang Xu iš JAV armijos tyrimų laboratorijos.

 

Kodėl ličio jonų baterijos apskritai veikia: SEI

 

Kietojo elektrolito tarpfazė yra labai plona medžiagos plėvelė, kuri neegzistuoja, kai pirmą kartą statomas akumuliatorius. Tik pirmą kartą įkraunant akumuliatorių, molekulės agreguojasi ir elektrochemiškai reaguoja suformuodamos struktūrą, kuri veikia kaip vartai, leidžiantys ličio jonams prasiskverbti pirmyn ir atgal tarp anodo ir katodo. Svarbiausia, kad SEI verčia elektronus apeiti aplinkkelį, o tai palaiko akumuliatoriaus veikimą ir leidžia kaupti energiją.

 

Dėl SEI iš viso turime ličio jonų baterijas, kurios maitina mūsų mobiliuosius telefonus, nešiojamuosius kompiuterius ir elektrines transporto priemones.

 

Tačiau mokslininkai turi daugiau sužinoti apie šią vartų struktūrą. Kokie veiksniai atskiria blizgesį nuo ličio jonų akumuliatoriaus skliauto? Kokių cheminių medžiagų reikia įtraukti į elektrolitą ir kokiomis koncentracijomis, kad molekulės susiformuotų į pačias naudingiausias SEI struktūras, kad jos nuolat neprisiurbtų molekulių iš elektrolito ir pablogintų akumuliatoriaus veikimą?

 

Mokslininkai dirba su įvairiais ingredientais, numatydami, kaip jie derės, kad sukurtų geriausią struktūrą. Tačiau neturėdami daugiau žinių apie tai, kaip sukuriama kietojo elektrolito tarpfazė, mokslininkai yra tarsi virėjai, žongliruojantys ingredientais, dirbantys su kulinarinėmis knygomis, kurios parašytos tik iš dalies.


 


Zihua Zhu ir Chongmin Wang yra komandos, kuri sužinojo svarbios naujos informacijos apie pagrindinio ličio jonų baterijų komponento sukūrimą, dalis. Kreditas: Andrea Starr / PNNL

 

Ličio jonų baterijų tyrinėjimas naudojant naujas technologijas

 

Siekdama padėti mokslininkams geriau suprasti SEI, komanda naudojo PNNL patentuotą technologiją, kad analizuotų struktūrą, kai ji buvo sukurta. Mokslininkai panaudojo energingą jonų spindulį, kad tuneluotųsi į ką tik besiformuojančią SEI veikiančioje baterijoje, dalį medžiagos siųsdavo ore ir užfiksuodavo analizei, remdamiesi paviršiaus įtempimu, kad padėtų sulaikyti.skystas elektrolitas. Tada komanda išanalizavo SEI komponentus naudodama masės spektrometrą.

 

Patentuotas metodas, žinomas kaip in situ skystų antrinių jonų masės spektrometrija arba skystųjų SIMS, leido komandai gauti precedento neturintį žvilgsnį į SEI besiformuojantį ir pašalinti problemas, kylančias dėl veikiančios ličio jonų baterijos. Šią technologiją sukūrė Zhu vadovaujama komanda, remdamasi ankstesniu PNNL kolegos Xiao-Ying Yu SIMS darbu.

 

"Mūsų technologija suteikia mums tvirtą mokslinį supratimą apie molekulinį aktyvumą šioje sudėtingoje struktūroje", - sakė Zhu. "Išvados gali padėti kitiems pritaikyti elektrolito ir elektrodų chemiją, kad būtų sukurtos geresnės baterijos."

 

U.S. Armijos ir PNNL mokslininkai bendradarbiauja

 

PNNL komanda susisiekė su Kang Xu, JAV armijos tyrimų laboratorijos moksliniu bendradarbiu ir elektrolitų bei SEI ekspertu, ir kartu sprendė šį klausimą.

Mokslininkai patvirtino tai, ką įtarė mokslininkai – kad SEI susideda iš dviejų sluoksnių. Tačiau komanda nuėjo daug toliau, nurodydama tikslią kiekvieno sluoksnio cheminę sudėtį ir nustatydama cheminius žingsnius, kurie vyksta akumuliatoriuje, kad susidarytų struktūra.

Komanda nustatė, kad vienas konstrukcijos sluoksnis, esantis šalia anodo, yra plonas, bet tankus; tai sluoksnis, kuris atstumia elektronus, bet leidžia pro juos prasiskverbti ličio jonus. Išorinis sluoksnis, esantis šalia elektrolito, yra storesnis ir tarpininkauja sąveikai tarp skysčio ir likusios SEI. Vidinis sluoksnis kiek kietesnis, o išorinis vėlesnis skystesnis, šiek tiek panašus į skirtumą tarp nepakankamai išvirtų ir pervirtų avižinių dribsnių.

 

Ličio fluorido vaidmuo

 

Vienas iš tyrimo rezultatų – geriau suprasti ličio fluorido vaidmenį naudojamame elektroliteličio jonų baterijos. Keletas mokslininkų, įskaitant Kang Xu, parodė, kad baterijos, kurių SEI yra daugiau ličio fluorido, veikia geriau. Grupė parodė, kaip ličio fluoridas tampa vidinio SEI sluoksnio dalimi, o išvados suteikia patarimų, kaip įtraukti daugiau fluoro įstruktūra.

 

„Naudodami šią techniką sužinosite ne tik, kokios yra molekulės, bet ir kaip jos yra struktūrizuotos“, - sako Wang. "Tai yra šios technologijos grožis."