Pramonės naujienos

Nauji stebėjimai atskleidžia ličio jonų baterijų vidinį darbą

2021-06-16
TEMOS:
Baterijų technologija, ličio jonai, medžiagų mokslas, nanomedžiagos, ličio jonų baterijos
DAVID L. CHANDLER, MASSACHUSETTS TECHNOLOGY INSTITUTEE 2014 m. Birželio 9 d.



Diagrama iliustruoja ličio geležies fosfato (LFP) elektrodo įkrovimo ar iškrovimo procesą. Kadangi įkrovimo metu ličio jonai yra pašalinami, jis sudaro ličio išeikvotą geležies fosfato (FP) zoną, tačiau tarp jų yra kieto tirpalo zona (SSZ, parodyta tamsiai mėlynai žalia spalva), kurioje yra keletas atsitiktinai pasiskirsčiusių ličio atomų. tvarkinga ličio atomų masyvas originalioje kristalinėje medžiagoje (šviesiai mėlyna). Šiame darbe pateikiami pirmieji tiesioginiai šio SSZ reiškinio stebėjimai.

MIT tyrėjai parodo vidinį ličio jonų akumuliatoriaus veikimą ir atskleidžia, kaip atsitiktinis kietas tirpalas veikia jonų judėjimą per akumuliatoriaus medžiagą.

Nauji MIT tyrėjų pastebėjimai atskleidė ličio jonų baterijose plačiai naudojamo elektrodo tipo vidinį veikimą. Mokslininkai teigia, kad naujos išvados paaiškina netikėtai didelę tokių baterijų galią ir ilgą tarnavimo laiką.

Išvados pateikiamos žurnale „Nano Letters“, kurio bendraautorius yra MIT postdoc Jun Jie Niu, mokslininkas Akihiro Kushima, profesoriai Still-Ming Chiang ir Ju Li bei trys kiti.

Ištirta elektrodų medžiaga, ličio geležies fosfatas (LiFePO4), laikoma ypač perspektyvia medžiaga ličio baterijoms; tai jau buvo įrodyta įvairiose srityse-nuo elektrinių įrankių iki elektrinių transporto priemonių iki didelio masto tinklų saugyklų. MIT tyrėjai nustatė, kad šio elektrodo įkrovimo metu tarp ličio turinčių ir ličio turinčių zonų ribos susidaro kieto tirpalo zona (SSZ)-regionas, kuriame koncentruota įkrovimo veikla, nes ištraukiami ličio jonai nuo elektrodo.

Li sako, kad teoriškai buvo prognozuojama, jog šis SSZ egzistuoja, tačiau pirmą kartą tai matome tiesiogiai - transliacijos elektronų mikroskopo (TEM) vaizdo įrašuose, kurie buvo nufotografuoti įkrovimo metu.

Stebėjimai padeda išspręsti seną galvosūkį apie LiFePO4: birių kristalų pavidalu tiek ličio geležies fosfatas, tiek geležies fosfatas (FePO4, kuris lieka, kai ličio jonai migruoja iš medžiagos įkrovimo metu) turi labai prastą jonų ir elektros laidumą. Tačiau apdorojus „dopingu ir anglies danga“ ir naudojant kaip nanodaleles akumuliatoriuje, medžiagos įkrovimo greitis yra įspūdingai didelis. „Buvo gana nuostabu, kai pirmą kartą buvo parodytas šis [greito įkrovimo ir iškrovimo greitis], - sako Li.

„Mes tiesiogiai stebėjome metastabilų atsitiktinį tvirtą sprendimą, galintį išspręsti šią esminę problemą, kuri [medžiagų mokslininkus] domino daugelį metų“, - sako Li, „Battelle Energy Alliance“ branduolinio mokslo ir inžinerijos profesorius ir medžiagų mokslo profesorius. ir inžinerija.

SSZ yra „metastabili“ būsena, kuri kambario temperatūroje išlieka mažiausiai kelias minutes. Pakeitus aštrią sąsają tarp LiFePO4 ir FePO4, kurioje, kaip įrodyta, yra daug papildomų linijos defektų, vadinamų „išnirimais“, SSZ tarnauja kaip buferis, sumažinantis dislokacijų, kurios priešingu atveju judėtų kartu su elektrocheminės reakcijos frontu, skaičių. „Mes nematome jokių išnirimų“, - sako Li. Tai gali būti svarbu, nes dislokacijų susidarymas ir saugojimas gali sukelti nuovargį ir apriboti elektrodo ciklo tarnavimo laiką.

Skirtingai nuo įprasto TEM vaizdavimo, šiame darbe naudojama technika, kurią 2010 m. Sukūrė Kushima ir Li, leidžia stebėti akumuliatoriaus komponentus, kai jie įkraunami ir išsikrauna, o tai gali atskleisti dinaminius procesus. „Per pastaruosius ketverius metus tokių in situ TEM metodų naudojimas akumuliatoriaus veiklai tirti labai išaugo“, - sako Li.

Geresnis šių dinamiškų procesų supratimas galėtų pagerinti elektrodų medžiagos našumą, leisdamas geriau sureguliuoti jo savybes, sako Li.

Nepaisant iki šiol neišsamių supratimų, ličio geležies fosfato nanodalelės jau naudojamos pramoniniu mastu ličio jonų baterijoms, aiškina Li. „Mokslas atsilieka nuo taikymo“, - sako jis. „Tai jau padidinta ir gana sėkminga rinkoje. Tai viena iš nanotechnologijų sėkmės istorijų

„Palyginti su tradiciniais ličio jonais, [ličio geležies fosfatas] yra ekologiškas ir labai stabilus“,-sako Niu. „Tačiau svarbu, kad ši medžiaga būtų gerai suprantama“

Nors SSZ buvo atrastas naudojant „LiFePO4“, Li sako: „Tas pats principas gali būti taikomas ir kitoms elektrodų medžiagoms. Žmonės ieško didelės galios elektrodų medžiagų, o tokios metastabilios būsenos gali būti ir kitose elektrodų medžiagose, kurios yra inertiškos. „Atrastas reiškinys gali būti labai bendras, o ne būdingas šiai medžiagai“

Chongminas Wangas, Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos mokslininkas, nedalyvavęs šiame tyrime, šį dokumentą vadina „puikiu darbu“.

„Buvo pasiūlyti keli modeliai, pagrįsti teoriniu ir eksperimentiniu darbu“, - sako Wangas. „Tačiau nė vienas iš jų neatrodo įtikinamas“

Šis naujas tyrimas, sako jis, „suteikia įtikinamų ir tiesioginių įrodymų“ apie veikiančią mechanizmą: „Šis darbas yra didelis žingsnis į priekį, siekiant neaiškumų siekti palankaus sprendimo modelio.“

Tyrimą rėmė Nacionalinis mokslo fondas.

Leidinys: Junjie Niu ir kt., „In situ Observation of Random Solid Solution Zone in LiFePO4 Electrod“, „Nano Letters“, 2014; DOI: 10.1021/nl501415b
Vaizdas: Junjie Niu ir kt., „Nano Letters“, 2014; DOI: 10.1021/nl501415b