Pramonės naujienos

Mokslinės anomalijos kodo nulaužimas: dešimtmečių senumo ličio jonų akumuliatorių paslaptis išspręsta

2021-06-16
TEMOS:
Baterijų technologija, energija, medžiagų mokslas, populiarus, Teksaso universitetas Austine, ličio jonų baterija
TEXAS UNIVERSITETAS AUSTINU 2020 M. RUGSĖJO 2 D.


Baterijų testavimo sistema Dr. Yu's Lab laboratorijoje, skirta pažangių elektrodų medžiagų kūrimui. Kreditas: Teksaso universitetas Austine

Daugelį metų tyrėjai siekė daugiau sužinoti apie metalų oksidų grupę, kuri yra pažadama kaip pagrindinė naujos kartos ličio jonų baterijų medžiaga dėl jų paslaptingo gebėjimo kaupti žymiai daugiau energijos, nei turėtų būti įmanoma. Tarptautinė tyrimų grupė, kuriai vadovauja Teksaso universitetas Austine, nulaužė šios mokslinės anomalijos kodą ir panaikino kliūtį kurti itin greitas baterijų energijos kaupimo sistemas.

Komanda nustatė, kad šie metalo oksidai turi unikalių būdų saugoti energiją, išskyrus klasikinius elektrocheminius saugojimo mechanizmus. Tyrime, paskelbtame žurnale „Nature Materials“, buvo rasta kelių rūšių metalo junginių, turinčių iki trijų kartų didesnę energijos kaupimo galimybę, palyginti su medžiagomis, įprastomis šiandien parduodamose ličio jonų baterijose.

Iššifruodami šią paslaptį, mokslininkai padeda atrakinti didesnės energijos talpos baterijas. Tai gali reikšti mažesnes, galingesnes baterijas, galinčias greitai įkrauti viską - nuo išmaniųjų telefonų iki elektrinių transporto priemonių.

„Beveik du dešimtmečius tyrinėtojų bendruomenė buvo sugluminta dėl šių medžiagų - neįprastai dideli pajėgumai, viršijantys jų teorines ribas“, - sakė Cockrello inžinerijos mokyklos Walkerio mechanikos inžinerijos docentas Guihua Yu. ir vienas iš projekto vadovų. „Šis darbas parodo pirmuosius eksperimentinius įrodymus, rodančius, kad papildomas mokestis fiziškai kaupiamas šiose medžiagose naudojant kosmoso įkrovimo saugojimo mechanizmą.“



Baterijų testavimo sistema Dr. Yu's Lab laboratorijoje, skirta pažangių elektrodų medžiagų kūrimui. Kreditas: Teksaso universitetas Austine

Norėdami parodyti šį reiškinį, komanda rado būdą stebėti ir išmatuoti, kaip elementai keičiasi laikui bėgant. Projekte dalyvavo mokslininkai iš UT, Masačusetso technologijos instituto, Vaterlo universiteto Kanadoje, Kinijos Šandongo universiteto, Čingdao universiteto Kinijoje ir Kinijos mokslų akademijos.

Atradimo centre yra pereinamojo metalo oksidai, kurie yra junginiai, kuriuose yra deguonies, sujungto su pereinamaisiais metalais, tokiais kaip geležis, nikelis ir cinkas. Energija gali būti laikoma metalo oksidų viduje - priešingai nei tipiški metodai, pagal kuriuos ličio jonai juda ir išeina iš šių medžiagų arba paverčia jų kristalines struktūras energijos kaupimui. Mokslininkai rodo, kad papildomas įkrovimo pajėgumas taip pat gali būti laikomas geležies nanodalelių paviršiuje, susidarančiame per įprastus elektrocheminius procesus.

Remiantis tyrimais, platus pereinamųjų metalų asortimentas gali atrakinti šį papildomą pajėgumą, ir jie turi bendrą giją - galimybę surinkti didelį elektronų tankį. Šios medžiagos dar nėra paruoštos pirmajam laikui, sakė Yu, visų pirma dėl to, kad trūksta žinių apie jas. Tačiau mokslininkai teigė, kad šios naujos išvados turėtų nulemti šių medžiagų potencialą.

Pagrindinė šiame tyrime naudojama technika, pavadinta in situ magnetometrija, yra realaus laiko magnetinio stebėjimo metodas, skirtas ištirti medžiagos vidinės elektroninės struktūros raidą. Jis gali kiekybiškai įvertinti įkrovimo pajėgumą, išmatuodamas magnetizmo pokyčius. Šią techniką galima naudoti labai mažam krūvio kaupimui tirti, o tai viršija daugelio įprastų apibūdinimo įrankių galimybes.

„Reikšmingiausi rezultatai buvo gauti naudojant techniką, kurią dažniausiai naudoja fizikai, bet labai retai akumuliatorių bendruomenėje“, - sakė Yu. „Tai puiki gražios fizikos ir elektrochemijos santuokos demonstracija.“

Nuoroda: „Papildoma talpa pereinamojo metalo oksido ličio jonų baterijose, atskleista naudojant in situ magnetometriją“, pateikė Qiang Li, Hongsen Li, Qingtao Xia, Zhengqiang Hu, Yue Zhu, Shishen Yan, Chen Ge, Qinghua Zhang, Xiaoxiong Wang , Xiantao Shang, Shuting Fan, Yunze Long, Lin Gu, Guo-Xing Miao, Guihua Yu ir Jagadeesh S. Moodera, 2020 m. Rugpjūčio 17 d., Gamtos medžiagos.
DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y