Pramonės naujienos

Galimos geresnės ličio jonų baterijos, naudojant nanoskalės molekulinę savireguliacijos struktūros vaizdą

2021-06-16
TEMOS:
Baterija, technologija, DOE, elektrotechnika, ličio jonai, nanotechnologijos, Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinė laboratorija, JAV Kariuomenės tyrimų laboratorija
DOE/PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY 2020 m. Vasario 6 d.



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

Mokslininkai sužino daugiau apie pirmąsias ličio jonų baterijos gyvenimo valandas

Pirmosios ličio jonų akumuliatoriaus eksploatavimo valandos iš esmės lemia, kaip gerai jis veiks. Tomis akimirkomis molekulių rinkinys savaime susirenka į akumuliatoriaus viduje esančią struktūrą, kuri paveiks bateriją ateinančiais metais.



Daugiau sužinoti apie SEI yra esminis žingsnis kuriant energingesnes, ilgiau tarnaujančias ir saugesnes ličio jonų baterijas.

2020 m. Sausio 27 d. „Nature Nanotechnology“ paskelbtą darbą atliko tarptautinė mokslininkų komanda, vadovaujama JAV energetikos departamento Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos ir JAV armijos tyrimų laboratorijos tyrėjų. Atitinkami autoriai yra Zihua Zhu, Chongmin Wang ir Zhijie Xu iš PNNL ir Kang Xu iš JAV kariuomenės tyrimų laboratorijos.

Kodėl ličio jonų akumuliatoriai apskritai veikia: SEI

Kietųjų elektrolitų tarpfazė yra labai plona medžiagos plėvelė, kurios nėra, kai pirmą kartą pastatoma baterija. Tik pirmą kartą įkraunant akumuliatorių molekulės susikaupia ir elektrocheminiu būdu reaguoja į struktūrą, kuri veikia kaip vartai, leidžiantys ličio jonams judėti pirmyn ir atgal tarp anodo ir katodo. Svarbiausia, kad SEI priverčia elektronus apvažiuoti, o tai užtikrina baterijos veikimą ir energijos kaupimą.

Dėl SEI iš viso turime ličio jonų baterijas, skirtas mūsų mobiliesiems telefonams, nešiojamiesiems kompiuteriams ir elektromobiliams maitinti.



Sukurti ličio jonų baterijas, kurios būtų ilgesnės, saugesnės ir energingesnės, yra PNNL mokslininkų prioritetų sąraše. Akumuliatoriai šiandien yra visur - elektromobiliuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose, įrankiuose ir mobiliuosiuose telefonuose.

Tačiau mokslininkai turi daugiau sužinoti apie šią vartų struktūrą. Kokie veiksniai atskiria blizgučius nuo ličio jonų akumuliatoriaus riffraff? Kokios cheminės medžiagos turi būti įtrauktos į elektrolitą ir kokia koncentracija, kad molekulės taptų naudingiausiomis SEI struktūromis, kad jos nenutrauktų molekulių nuo elektrolito, kenkdamos baterijos veikimui?

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 tik iš dalies parašytomis kulinarinėmis knygomis.

Ličio jonų akumuliatorių tyrimas naudojant naujas technologijas

Siekdama padėti mokslininkams geriau suprasti SEI, komanda naudojo PNNL patentuotą technologiją, kad analizuotų struktūrą, kuri buvo sukurta. Mokslininkai naudojo energingą jonų spindulį, kad veikiančioje baterijoje tuneliuotų į ką tik besiformuojantį SEI, nusiųsdami dalį medžiagos ore ir užfiksuodami ją analizei, remdamiesi paviršiaus įtempimu, kad padėtų sulaikyti skystą elektrolitą. Tada komanda analizavo SEI komponentus, naudodama masės spektrometrą.

Patentuotas metodas, žinomas kaip in situ skystos antrinės jonų masės spektrometrija arba skystas SIMS, leido komandai beprecedenčiai pažvelgti į susidariusį SEI ir apeiti veikiančios ličio jonų baterijos problemas. Šią technologiją sukūrė Zhu vadovaujama komanda, remdamasi PNNL kolegos Xiao-Ying Yu ankstesniu SIMS darbu.

„Mūsų technologija suteikia mums tvirtą mokslinį supratimą apie šios sudėtingos struktūros molekulinį aktyvumą“, - sakė Zhu. „Išvados gali padėti kitiems pritaikyti elektrolito ir elektrodų chemiją, kad būtų sukurtos geresnės baterijos.“

JAV kariuomenė ir PNNL tyrėjai bendradarbiauja

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

Mokslininkai patvirtino tai, ką tyrėjai įtarė - SEI susideda iš dviejų sluoksnių. Tačiau komanda nuėjo daug toliau, nurodydama tikslią kiekvieno sluoksnio cheminę sudėtį ir nustatydama cheminius veiksmus, kurie vyksta akumuliatoriuje, kad būtų sukurta struktūra.



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

Komanda nustatė, kad vienas konstrukcijos sluoksnis, šalia anodo, yra plonas, bet tankus; tai sluoksnis, atstumiantis elektronus, bet leidžiantis prasiskverbti ličio jonams. Išorinis sluoksnis, esantis šalia elektrolito, yra storesnis ir tarpininkauja tarp skysčio ir likusio SEI sąveikos. Vidinis sluoksnis yra šiek tiek kietesnis, o išorinis vėliau yra skystesnis, šiek tiek panašus į skirtumą tarp nepakankamai išvirtų ir pervirtų avižinių dribsnių.

Ličio fluoro vaidmuo

Vienas iš tyrimo rezultatų-geriau suprasti ličio fluoro vaidmenį elektrolite, naudojamame ličio jonų baterijose. Keletas tyrinėtojų, įskaitant „Kang Xu“, parodė, kad baterijos, turinčios ličio fluoro turinčių SEI, veikia geriau. Komanda parodė, kaip ličio fluoridas tampa vidinio SEI sluoksnio dalimi, o išvados suteikia užuominų apie tai, kaip į struktūrą įtraukti daugiau fluoro.

„Naudodamiesi šia technika, jūs sužinosite ne tik tai, kokios molekulės yra, bet ir kaip jos yra struktūrizuotos“, - sako Wangas. „Tai šios technologijos grožis“



Skystos SIMS technologijos, kurią mokslininkai naudojo norėdami daugiau sužinoti apie ličio jonų baterijas, iliustracija. Mokslininkai naudoja energinį jonų spindulį (geltoną) tuneliui per anodą (oranžinę), pritvirtintą po plona silicio nitrido membrana. Kai spindulys patenka į elektrodo ir elektrolito sąsają, kur susidaro kietojo elektrolito tarpfazė (SEI), jo molekulės tampa ore ir yra prieinamos analizuoti masės spektrometru. Diafragma yra tokia siaura, kad paviršiaus įtempimas neleidžia elektrolitui pasklisti. Kreditas: iliustracija, gauta iš leidinio „Journal of Physical Chemistry Letters“, 2019 m. Sausio 1 d.

Nuoroda: Yufan Zhou, Mao Su, Xiaofei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao Wu Xu, Donaldas R. Baeris, Yingge Du, Olegas Borodinas, Yanting Wang, Xue-Lin Wang, Kang Xu, Zhijie Xu, Chongmin Wang ir Zihua Zhu, 2020 m. Sausio 27 d., Gamtos nanotechnologijos.
DOI: 10.1038/s41565-019-0618-4

„Nature Nanotechnology“ paskelbto tyrimo PNNL dalį finansavo PNNL, DOE energijos vartojimo efektyvumo ir atsinaujinančios energijos transporto priemonių technologijų biuras ir JAV ir Vokietijos bendradarbiavimas energijos saugojimo srityje. Kang Xu darbą finansavo DOE Mokslo biuro jungtinis energijos kaupimo tyrimų centras. Skystoji SIMS analizė buvo atlikta EMSL, Aplinkos molekulinių mokslų laboratorijoje, DOE Mokslo biuro vartotojo įrenginyje, esančiame PNNL.

Be Xu, Wang ir Zhu, PNNL autoriai yra Yufan Zhou, Mao Su, Xiafei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer ir Yingge Du.