اخبار صنعت

باتری های لیتیوم-یون بهتر با نمای مولکولی در مقیاس نانو از ساختار خود مونتاژ ممکن است

2021-06-16
موضوعات:
باتری ، فناوری ، DOE ، مهندسی برق ، لیتیوم یون ، فناوری نانو ، آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام ، ایالات متحده آزمایشگاه تحقیقات ارتش
توسط DOE/PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY 6 فوریه 2020



دانشمندان یک باتری لیتیوم یونی طراحی شده را در طیف سنج جرمی یونی ثانویه بارگذاری می کنند که به آنها اجازه می دهد تا هنگام کار باتری ، تشکیل اینترفاز الکترولیت جامد را در سطح مولکولی مشاهده کنند. اعتبار: آندریا استار/PNNL

دانشمندان در مورد اولین ساعت عمر باتری لیتیوم-یون بیشتر بیاموزند

ساعات اولیه عمر باتری لیتیوم یونی تا حد زیادی تعیین کننده عملکرد خوب آن است. در آن لحظات ، مجموعه ای از مولکول ها خود را در ساختار داخل باتری جمع می کنند که بر باتری در سالهای آینده تأثیر می گذارد.



دانستن اطلاعات بیشتر در مورد SEI یک گام مهم در راه ایجاد باتری های لیتیوم یونی پرانرژی تر ، با دوام و ایمن تر است.

این کار ، که در 27 ژانویه 2020 در Nature Nanotechnology منتشر شد ، توسط یک تیم بین المللی از دانشمندان به سرپرستی محققان آزمایشگاه ملی شمال غربی وزارت انرژی ایالات متحده و آزمایشگاه تحقیقات ارتش ایالات متحده انجام شد. نویسندگان متناظر عبارتند از Zihua Zhu ، Chongmin Wang و Zhijie Xu از PNNL و Kang Xu از آزمایشگاه تحقیقات ارتش ایالات متحده.

چرا باتری های لیتیوم یون اصلاً کار می کنند: SEI

اینترفاز الکترولیت جامد یک فیلم بسیار نازک از مواد است که در هنگام ساخت باتری برای اولین بار وجود ندارد. تنها زمانی که باتری برای اولین بار شارژ می شود ، مولکول ها تجمع می یابند و واکنش الکتروشیمیایی ایجاد می کنند و ساختار را تشکیل می دهند ، که به عنوان دروازه ای عمل می کند که به یون های لیتیوم اجازه می دهد بین آند و کاتد به جلو و عقب بروند. نکته مهم این است که SEI الکترونها را مجبور به حرکت در مسیر دور می کند که این امر باعث می شود باتری کار کند و ذخیره انرژی نیز ممکن شود.

این به خاطر SEI است که ما به طور کلی باتری های لیتیوم یون داریم تا تلفن های همراه ، لپ تاپ ها و وسایل نقلیه برقی خود را تغذیه کنیم.



ایجاد باتری های لیتیوم یونی که دوام بیشتری دارند ، ایمن تر و پرانرژی تر هستند ، در لیست اولویت های دانشمندان PNNL قرار دارد. امروزه باتری ها در اتومبیل های برقی ، لپ تاپ ها ، ابزارها و تلفن های همراه همه جا حضور دارند.

اما دانشمندان باید بیشتر در مورد این ساختار دروازه بدانند. چه عواملی گلیترات ها را از رفرافه در باتری لیتیوم یونی جدا می کند؟ چه مواد شیمیایی باید در الکترولیت وجود داشته باشد و در چه غلظتی ، مولکولها خود را به مفیدترین ساختار SEI تبدیل می کنند ، بنابراین آنها به طور مداوم مولکولهای الکترولیت را از بین نمی برند و به عملکرد باتری آسیب می رسانند؟

دانشمندان با ترکیبات مختلفی کار می کنند و نحوه ترکیب آنها را برای ایجاد بهترین ساختار پیش بینی می کنند. اما بدون آگاهی بیشتر در مورد چگونگی ایجاد بین فاز الکترولیت جامد ، دانشمندان مانند سرآشپزهایی هستند که با مواد آشپزی کار می کنند و با کتاب های آشپزی کار می کنند که فقط تا حدی نوشته شده است.

بررسی باتری های لیتیوم یونی با فناوری جدید

برای کمک به دانشمندان برای درک بهتر SEI ، این تیم از فناوری ثبت اختراع PNNL برای تجزیه و تحلیل ساختار هنگام ایجاد ساختار استفاده کرد. دانشمندان از یک پرتوی یونی پرانرژی برای تونل به یک SEI تازه تشکیل شده در یک باتری استفاده کردند ، مقداری از مواد را در هوا فرستاده و برای تجزیه و تحلیل در حالی که به کشش سطحی برای کمک به مهار الکترولیت مایع متکی هستند ، آن را ضبط کردند. سپس تیم اجزای SEI را با استفاده از طیف سنج جرمی تجزیه و تحلیل کردند.

رویکرد ثبت شده ، که به طیف سنجی جرمی یون ثانویه مایع یا SIMS مایع معروف است ، به تیم این امکان را می دهد تا در شکل گیری SEI نگاهی بی سابقه داشته باشند و مشکلات ارائه شده توسط یک باتری لیتیوم یونی کار را کنار بگذارند. این فناوری توسط تیمی به رهبری Zhu ایجاد شده است که بر اساس کار قبلی SIMS توسط همکار PNNL شیائو-یینگ یو ساخته شده است.

ژو گفت: "فناوری ما درک علمی جامعی از فعالیت مولکولی در این ساختار پیچیده به ما می دهد." یافته ها می توانند به دیگران کمک کنند تا شیمی الکترولیت و الکترودها را برای ساخت باتری های بهتر تنظیم کنند.

ارتش ایالات متحده و محققان PNNL همکاری می کنند

تیم PNNL با کانگ خو ، پژوهشگر آزمایشگاه تحقیقات ارتش ایالات متحده و متخصص الکترولیت و SEI ارتباط برقرار کرد و با هم به این سال پرداختند.

دانشمندان آنچه را که محققان گمان می کردند - که SEI از دو لایه تشکیل شده است - تأیید کردند. اما تیم بسیار فراتر رفت ، ترکیب شیمیایی دقیق هر لایه را مشخص کرد و مراحل شیمیایی را که در یک باتری برای ایجاد ساختار اتفاق می افتد تعیین کرد.



Zihua Zhu و Chongmin Wang بخشی از تیمی هستند که اطلاعات جدید مهمی را در مورد ایجاد یک جزء اصلی از باتری های لیتیوم-یون آموختند. اعتبار: آندریا استار/PNNL

تیم دریافتند که یک لایه از ساختار ، در کنار آند ، نازک اما متراکم است. این لایه ای است که الکترون ها را دفع می کند اما به یون های لیتیوم اجازه عبور می دهد. لایه بیرونی ، درست در کنار الکترولیت ، ضخیم تر است و واسطه برهم کنش بین مایع و بقیه SEI است. لایه داخلی کمی سخت تر و لایه بعدی مایع تر است ، کمی شبیه تفاوت بین بلغور جو دوسر پخته و بیش از حد پخته.

نقش لیتیوم فلوراید

یکی از نتایج مطالعه ، درک بهتر نقش لیتیوم فلوراید در الکترولیت مورد استفاده در باتری های لیتیوم یونی است. چندین محقق ، از جمله کانگ خو ، نشان داده اند که باتری هایی با SEI غنی از لیتیوم فلوراید عملکرد بهتری دارند. این تیم نشان داد که چگونه فلوراید لیتیوم بخشی از لایه داخلی SEI می شود و یافته ها سرنخ هایی در مورد چگونگی ترکیب بیشتر فلورین در ساختار ارائه می دهند.

وانگ می گوید: "با این تکنیک ، شما نه تنها مولکول های موجود بلکه نحوه ساختار آنها را می آموزید." â € "زیبایی این فناوری است."



تصویری از فناوری مایع SIMS که دانشمندان برای یادگیری بیشتر در مورد باتری های لیتیوم-یون از آن استفاده کردند. دانشمندان از یک پرتوی پر انرژی یون (زرد) برای عبور از آند (نارنجی) استفاده می کنند که در زیر غشای نازک سیلیکون نازک متصل شده است. هنگامی که پرتو به سطح الکترود-الکترولیت در محل شکل گیری اینترفاز الکترولیت جامد (SEI) برخورد می کند ، مولکول های آن در هوا منتقل می شوند و برای تجزیه و تحلیل توسط طیف سنج جرمی در دسترس قرار می گیرند. دیافراگم آنقدر باریک است که کشش سطحی از پخش شدن الکترولیت جلوگیری می کند. اعتبار: تصویر توسط مجله Physical Chemistry Letters ، 1 ژانویه 2019. حق چاپ 2019 American Chemical Society.

مرجع: توصیف طیف سنجی جرمی زمان واقعی واسطه بین الکترولیت جامد باتری لیتیوم یونی توسط یوفان ژو ، مائو سو ، شیائفی یو ، یانیان ژانگ ، جون گانگ وانگ ، شیائودی رن ، روئیگو کائو ، وو شو ، دونالد آر. بائر ، یینگگه دو ، اولگ بورودین ، ​​یانتینگ وانگ ، زو لین لین ، وانگ ، کانگ خو ، ژیجی خو ، چونگمین وانگ و زیهوا ژو ، 27 ژانویه 2020 ، فناوری نانو طبیعت.
DOI: 10.1038/s41565-019-0618-4

بخش PNNL تحقیقات منتشر شده در Nature Nanotechnology توسط PNNL ، دفتر کارآیی انرژی و دفتر فناوری فناوری خودروهای DOE و همکاری ایالات متحده و آلمان در زمینه ذخیره انرژی تأمین شده است. بودجه کار کانگ خو توسط مرکز مشترک مرکز تحقیقات تحقیقات ذخیره انرژی در DOEâ تأمین شد. تجزیه و تحلیل مایع SIMS در EMSL ، آزمایشگاه علوم مولکولی محیط ، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE واقع در PNNL انجام شد.

علاوه بر خو ، وانگ و ژو ، نویسندگان PNNL شامل یوفان ژو ، مائو سو ، شیافی یو ، یانیان ژانگ ، جون گانگ وانگ ، شیائودی رن ، روئیگو کائو ، وو شو ، دونالد آر بائر و یینگ دو هستند.