Pramonės naujienos

Rentgeno vaizdų naudojimas ličio sieros baterijų technologijai tobulinti

2021-06-16
TEMOS:
Akumuliatorių technologija, medžiagų mokslas, atsinaujinanti energija, SLAC nacionalinė akceleratoriaus laboratorija
Autorius: MARK SHWARTZ, SLAC NACIONALINIS ACCELERATOR LABORATORY 2012 m. Liepos 19 d.



Johanna Nelson naudoja galingą rentgeno spindulių vaizdą, kad ištirtų ličio sieros baterijas-perspektyvią technologiją, kuri kažkurią dieną galėtų maitinti elektrines transporto priemones. Dirbdamas su SLAC ir Stanfordo universiteto mokslininkais, Nelsonas padarė mikroskopines atskirų sieros dalelių nuotraukas-pirmą kartą veikiančią ličio sieros bateriją realiuoju laiku. Ankstesni tyrimai, naudojant standartinius elektroninius mikroskopus, parodė, kad po dviračio iš katodo dingsta daug sieros, todėl baterija miršta. Tačiau Nelsono komanda parodė, kad sieros dalelės dažniausiai lieka nepažeistos. Jų rezultatai galėtų padėti mokslininkams sukurti komerciškai perspektyvias ličio sieros baterijas elektromobiliams.

„Ličio sieros baterijų ciklo trukmė yra labai trumpa“,-sakė Johanna Nelson, Stanfordo universiteto SLAC nacionalinės akceleratoriaus laboratorijos doktorantė. „Paprastai po kelių dešimčių ciklų akumuliatorius išsikrauna, todėl jis nėra perspektyvus elektromobiliams, kuriems reikia daug tūkstančių ciklų per 10 ar 20 metų.“

Įprastą ličio sieros akumuliatorių sudaro du elektrodai-ličio metalo anodas ir sieros-anglies katodas-apsupti laidžiu skysčiu arba elektrolitu. Keletas tyrimų akumuliatoriaus trumpą tarnavimo laiką priskyrė cheminėms reakcijoms, kurios mažina sieros katodą.
Tačiau neseniai atliktas Nelsono ir jos kolegų tyrimas kelia abejonių dėl ankstesnių eksperimentų pagrįstumo. Naudodama didelės galios tikrosios veikiančios baterijos rentgeno vaizdą, Stanfordo-SLAC komanda atrado, kad sieros dalelės katode iškraunant išlieka nepažeistos. Jų rezultatai, paskelbti Amerikos chemijos draugijos žurnale (JACS), gali padėti mokslininkams rasti naujų būdų, kaip sukurti komerciškai perspektyvias ličio sieros baterijas elektromobiliams.

„Remiantis ankstesniais eksperimentais, mes tikėjomės, kad sieros dalelės visiškai išnyks iš katodo, kai baterija išsikraus“, - sakė Nelsonas, pagrindinis JACS tyrimo autorius. „Vietoj to, mes matėme tik nežymius dalelių dydžio pokyčius, o tai visiškai priešinga ankstesniems tyrimams“.

Nelsonas ir jos bendradarbiai atliko eksperimentus SLAC, naudodamiesi dviem galingais vaizdo gavimo būdais: rentgeno spindulių difrakcija ir perdavimo rentgeno mikroskopija. Rentgeno spindulių mikroskopas leido tyrėjams fotografuoti atskirų sieros dalelių nanometrinius vaizdus prieš išleidžiant, jo metu ir po jo-pirmą kartą veikiančią ličio sieros bateriją realiuoju laiku.

„Standartinis didelės skiriamosios gebos vaizdo gavimo būdas yra elektroniniai mikroskopai, kai baterija iš dalies išsikrauna“,-sakė Nelsonas. „Tačiau elektronai nelabai prasiskverbia pro metalą ir plastiką. Naudodami SLAC rentgeno mikroskopą, mes iš tikrųjų matome pokyčius, kurie vyksta, kol baterija veikia. “

Pavojingi polisulfidai

Ličio sieros akumuliatoriuose elektros srovė susidaro, kai ličio jonai anode reaguoja su sieros dalelėmis katode iškrovos metu. Šios cheminės reakcijos šalutiniai produktai yra junginiai, žinomi kaip ličio polisulfidai.

Problemų gali kilti, kai polisulfidai patenka į elektrolitą ir nuolat susilieja su ličio metalo anodu. „Kai taip atsitinka, visos sieros medžiagos polisulfiduose prarandamos“, - sakė Nelsonas. „Jis niekada nebus perdirbamas. Jūs nenorite prarasti aktyvios sieros medžiagos kiekvieną kartą, kai baterija išsikrauna. Norite akumuliatoriaus, kurį galima pakartoti kelis kartus

Ankstesni eksperimentai taip pat parodė, kad iškrovos fazėje susidaro dilčio sulfido (Li2S) kristalai. „Kristalinis Li2S ir polisulfidai gali sudaryti ploną plėvelę, kuri neleidžia laidyti elektronų ir ličio jonų“, - sakė Nelsonas. „Plėvelė veikia kaip izoliacinis sluoksnis, dėl kurio baterija gali mirti“

Keli tyrimai, naudojant elektroninius mikroskopus, parodė elektrodų, padengtų polisulfidais ir kristaliniu Li2S, vaizdus ir katodus, kuriuose nėra sieros. Šie vaizdai leido tyrėjams daryti išvadą, kad didžioji sieros dalis buvo chemiškai paversta Li2S polisulfido lakštais, kurie neleido baterijai veikti.

Klaidingi radiniai

Tačiau, pasak Nelsono ir jos kolegų, kai kurie ankstesni tyrimai buvo ydingi. „Jų požiūris buvo klaidingas“, - sakė Nelsonas. â € œPaprastai jie apkrautų akumuliatorių, išardytų jį, nuplautų elektrolitą ir analizuotų jį rentgeno spindulių difrakcija arba elektroniniu mikroskopu. Bet kai tai padarysite, taip pat nuplaukite visus polisulfidus, kurie yra laisvai įstrigę ant katodo. Taigi, kai vaizduojate katodą, nematote jokių sieros rūšių
Stanfordo-SLAC komanda laikėsi kitokio požiūrio. Tyrėjai naudojo SLAC transmisinį rentgeno mikroskopą, kad kas penkias minutes nufotografuotų kelis mažų sieros dalelių vaizdus, ​​kol baterija išsikrovė. Kiekviena dalelė buvo smėlio grūdelio dydžio dalis. Rezultatai buvo aiškūs: visos dalelės išlaikė savo pagrindinę formą ir dydį per visą iškrovimo ciklą.

„Tikėjomės, kad siera visiškai išnyks ir elektrolite susidarys polisulfidai“, - sakė Nelsonas. „Vietoj to, mes nustatėme, kad dalelės dažniausiai liko ten, kur buvo, ir prarado labai mažai masės. Jie sudarė polisulfidus, tačiau dauguma jų buvo įstrigę šalia anglies sieros katodo. Mums nereikėjo išardyti akumuliatoriaus ar net jo sustabdyti, nes prietaiso veikimo metu galėjome atvaizduoti sieros kiekį. “

Rentgeno spindulių difrakcija sukėlė papildomą staigmeną. „Remdamiesi ankstesniais eksperimentais, mes tikėjomės, kad iškrovos ciklo pabaigoje susidarys kristalinis Li2S“, - sakė ji. „Bet mes labai giliai išsikrovėme ir niekada nematėme Li2S kristalinės būsenos“.

Būsimi tyrimai

„Stanford-SLAC“ tyrimas gali atverti naujus tyrimų kelius, kurie galėtų pagerinti ličio sieros baterijų veikimą, sakė bendraautorius Michaelas Toney, SLAC „Stanford Synchrotron Radiation Lightsource“ medžiagų mokslų skyriaus vadovas.

„Mūsų tyrimas parodo, kaip svarbu naudoti didelės galios rentgeno technologijas, norint ištirti baterijas, kol jos veikia“,-sakė Toney. „Inžineriniu požiūriu vertinga žinoti, kad pasikliaudami standartine elektronine mikroskopija, kad patikrintumėte medžiagų ištikimybę, galite gauti apgaulingų rezultatų.“

Kelios tyrimų laboratorijos ieško naujų būdų, kaip sulaikyti polisulfidus ant katodo. Įvairūs metodai parodė pažadą, įskaitant naujus elektrolitus ir anglies nanovamzdelius, padengtus siera.

Tačiau polisulfido problema gali būti ne tokia bauginanti, kaip rodo ankstesni tyrimai.

„Mes nustatėme, kad labai nedaug polisulfidų pateko į elektrolitą“, - sakė Nelsonas. „Anglies sieros katodas iš tikrųjų juos sulaikė geriau nei tikėtasi. Bet net ir nedidelis polisulfidų kiekis gali sugadinti akumuliatorių per 10 ciklų. Jei mokslininkai nori pagerinti baterijos veikimo laiką, jie turi užkirsti kelią praktiškai visų polisulfidų nutekėjimui į elektrolitą. Jei jie tikrai nori žinoti, kas vyksta akumuliatoriaus viduje, jie negali naudoti tik standartinės analizės. Jiems reikia technologijos, kuri pasakotų visą istoriją. “

Be Nelsono, JACS tyrimo bendraautoriai yra SLAC postdoktorantas Sumohanas Misra ir Stanfordo doktorantas Yuan Yang.

Tyrimo bendraautorius taip pat yra Yi Cui, Stanfordo medžiagų mokslo ir inžinerijos bei SLAC fotonų mokslo docentas; Hongjie Dai, Stanfordo chemijos profesorius; magistrantai Ariel Jackson ir Hailiang Wang iš Stanfordo; ir Joy C. Andrewsas, SLAC personalo mokslininkas.

Tyrimą rėmė Energetikos departamentas, Gynybos departamentas ir Stanfordo absolventų stipendija.

SLAC yra nacionalinė laboratorija, kurią valdo Stanfordas DOE. Tyrimas atliktas bendradarbiaujant su Stanfordo medžiagų ir energetikos mokslo institutu, Stanfordo-SLAC mokslinių tyrimų partnerystė.