Pramonės naujienos

Paaiškinama, kaip ličio jonai keliauja įkraunamose baterijose

2022-05-09
Pagal Pagrindinių mokslų institutą


Nors dauguma mūsų elektroninių prietaisų, tokių kaip mobilieji telefonai, nešiojamieji kompiuteriai ir elektrinės transporto priemonės, naudoja įkraunamas ličio baterijas, nėra visiškai suprantama, kas vyksta jų viduje. Mokslininkams iš Molekulinės spektroskopijos ir dinamikos centro, esančio Pagrindinių mokslų institute (IBS), pavyko realiuoju laiku stebėti itin greitą ličio jonų dinamiką su femtosekundės laiko skyra (1/1 000 000 000 000 000 sekundės). Šios išvados padeda paaiškinti, kas vyksta įkrovimo ir iškrovimo metu: kertinis akmuo pažangioms ir geresnio našumo akumuliatoriams. Paskelbtas Nature Communications, šis tyrimas atskleidžia sąveiką tarp ličio jonų ir elektrolitų, kurie yra organinės molekulės, supančios ličio jonus ir laidančios elektrą, ir galėjo padaryti išvadą, kad esama jonų difuzijos teorija įkraunamose ličio baterijose nėra visiškai teisinga.

Įprastoje komercinėje įkraunamoje ličio baterijoje, kai akumuliatorius kraunamas, elektrolituose ištirpę ličio jonai juda iš teigiamo akumuliatoriaus poliaus į neigiamą. Ir jie migruoja priešingu būdu, kai naudojama baterija. Ličio jonų mobilumas lemia ličio įkraunamos baterijos veikimą ir kaip greitai jie gali įkrauti ir išsikrauti.

Tačiau ličio jonai migruoja ne vieni, juos supa elektrolitai, kurie palengvina kelionę nuo vieno poliaus iki kito. Šiuo metu mūsų įkraunamų ličio baterijų elektrolitai paprastai yra sudaryti iš vienodos koncentracijos etileno karbonato (EC), dimetilkarbonato (DMC) ir dietilo karbonato (DEC) mišinio. Manoma, kad ličio jonai daugiausia asocijuojasi su EC, sudarydami vadinamąjį „soliacijos apvalkalą“ arba „solvatacijos apvalkalą“, o DMC ir DEC tik sustiprina šių apvalkalų judėjimą tarp akumuliatoriaus polių, kaip „tepalai“. Tačiau, nors dauguma ankstesnių tyrimų buvo skirti elektrolitų ir ličio jonų jungties statinėms savybėms, šis tyrimas paaiškina ryšio dinamiką. Kaip ir kino filme, kur viena po kitos greitai rodomų nejudančių vaizdų serija sukuria judesių efektą, IBS mokslininkai padarė greitus kadrus, kad išanalizuoti šių ryšių susidarymą ir nutrūkimą. Tačiau nors filmai paprastai filmuojami ir rodomi 24 nejudančių vaizdų per sekundę greičiu, šie matavimo „kadrai“ buvo daromi tik femtosekundžių intervalais.


Dėka įrankio, vadinamo dvimate infraraudonųjų spindulių spektroskopija, komanda išmatavo, kaip ličio jonai jungiasi su DEC deguonies atomais, ir nustatė, kad šie ryšiai nutrūksta ir susidaro per 2–17 pikosekundžių (1/1 000 000 000 000 sekundės). DMC laikas yra panašus. Tai reiškia, kad DMC ir DEC yra daugiau nei tiesiog „tepalai“, jie kartu su EC taip pat yra tirpinimo apvalkalo dalis ir gali atlikti aktyvų vaidmenį transportuojant ličio jonus į akumuliatoriaus polių.

"Buvo manoma, kad migracijos metu tarp elektrodų EC aplink ličio jonus sukuria standų apvalkalą. Tačiau šis tyrimas rodo, kad tirpiklio apvalkalas nėra toks standus, jonų transportavimo metu jis nuolat pertvarkomas", - aiškina profesorius CHO Minhaeng. Ir daro išvadą: „Dėl šios priežasties esamos ličio jonų difuzijos teorijos peržiūra yra neišvengiama“.

Mokslininkų grupė atlieka tolesnį tyrimą, siekdama sukurti naują ličio jonų difuzijos proceso teoriją, ir kuria naują itin didelės spartos lazerinės spektroskopijos prietaisą, galintį stebėti cheminę reakciją ir filmuoti ją ant paviršiaus. įkraunamų baterijų elektrodai.