اخبار صنعت

استفاده از تصویربرداری اشعه ایکس برای بهبود فناوری باتری لیتیوم گوگرد

2021-06-16
موضوعات:
فناوری باتری ، علوم مواد ، انرژی های تجدیدپذیر ، آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC
توسط مارک شوارتز ، SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY 19 ژوئیه 2012



یوهانا نلسون از تصویربرداری قوی اشعه ایکس برای مطالعه باتری های لیتیوم گوگرد استفاده می کند ، یک فناوری امیدوار کننده که می تواند روزی خودروهای برقی را نیرو دهد. با همکاری دانشمندان در SLAC و دانشگاه استنفورد ، نلسون از میکروسکوپ عکسهایی از ذرات گوگرد جداگانه تهیه کرد-اولین تصویربرداری در زمان واقعی از یک باتری لیتیوم گوگرد در حال کار. مطالعات قبلی با استفاده از میکروسکوپ های الکترونی استاندارد نشان داد که مقدار زیادی گوگرد پس از دوچرخه سواری از کاتد خارج می شود و باعث از بین رفتن باتری می شود. اما تیم نلسون نشان داد که ذرات گوگرد بیشتر دست نخورده باقی می مانند. نتایج آنها می تواند به دانشمندان کمک کند تا باتری های لیتیوم-گوگرد را برای خودروهای برقی توسعه دهند.

یوهانا نلسون ، محقق فوق دکتری در آزمایشگاه شتابدهنده ملی SLAC در دانشگاه استنفورد ، گفت: عمر چرخه باتری های لیتیوم-گوگرد بسیار کوتاه است. به طور معمول ، پس از چند ده چرخه ، باتری از بین می رود ، بنابراین برای خودروهای برقی که هزاران دور در طول عمر 10 یا 20 ساله نیاز دارند ، قابل استفاده نیست.

یک باتری معمولی لیتیوم گوگرد از دو الکترود-یک آند فلزی لیتیوم و یک کاتد گوگرد-کربن-که توسط یک سیال رسانا یا الکترولیت احاطه شده است ، تشکیل شده است. چندین مطالعه عمر کوتاه چرخه باتری را به واکنشهای شیمیایی نسبت داده اند که کاتد گوگرد را تخلیه می کند.
اما مطالعه اخیر نلسون و همکارانش در مورد صحت آزمایش های قبلی تردید ایجاد کرده است. تیم Stanford-SLAC با استفاده از تصویربرداری اشعه ایکس با قدرت بالا از یک باتری کارکرده دریافتند که ذرات گوگرد در کاتد تا حد زیادی در طول تخلیه سالم می مانند. نتایج آنها ، که در مجله انجمن شیمی آمریکا (JACS) منتشر شد ، می تواند به دانشمندان در یافتن راه های جدید برای توسعه باتری های لیتیوم گوگرد برای خودروهای برقی کمک کند.

نلسون ، نویسنده اصلی مطالعه JACS ، گفت: "بر اساس آزمایش های قبلی ، ما انتظار داشتیم که ذرات گوگرد هنگام تخلیه باتری به طور کامل از کاتد ناپدید شوند." "درعوض ، ما فقط تغییرات ناچیز در اندازه ذرات را مشاهده کردیم ، درست برعکس آنچه که مطالعات قبلی نشان داد."

نلسون و همکارانش آزمایشات خود را در SLAC با استفاده از دو تکنیک تصویربرداری قوی انجام دادند: پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ اشعه ایکس انتقال. میکروسکوپ اشعه ایکس به محققان این امکان را داد که از ذرات گوگرد قبل ، حین و پس از تخلیه-اولین تصویربرداری در زمان واقعی از یک باتری لیتیوم گوگرد در حال کار ، عکسهای نانو اندازه بگیرند.

نلسون گفت: "روش استاندارد برای انجام تصویربرداری با وضوح بالا ، استفاده از میکروسکوپ های الکترونی پس از تخلیه جزئی باتری است." اما الکترونها به خوبی به فلز و پلاستیک نفوذ نمی کنند. با میکروسکوپ اشعه ایکس SLAC ، ما در واقع می توانیم تغییراتی را که هنگام کار باتری اتفاق می افتد مشاهده کنیم.

پلی سولفیدهای مضر

در باتری های لیتیوم-گوگرد ، هنگامی که یون های لیتیوم در آند در هنگام تخلیه با ذرات گوگرد در کاتد واکنش نشان می دهند ، جریان الکتریکی ایجاد می شود. محصولات جانبی این واکنش شیمیایی ترکیباتی هستند که به نام پلی سولفیدهای لیتیوم شناخته می شوند.

هنگامی که پلی سولفیدها به داخل الکترولیت نشت می کنند و به طور دائم با آند فلزی لیتیوم پیوند می یابند ، ممکن است مشکلات ایجاد شود. نلسون گفت: "وقتی این اتفاق می افتد ، تمام مواد گوگرد موجود در پلی سولفیدها از بین می رود." never € never هرگز بازیافت نمی شود. شما نمی خواهید هر بار که باتری تخلیه می شود مواد گوگرد فعال را از دست بدهید. شما باتری می خواهید که بتواند چندین بار دوچرخه سواری شود

آزمایش های قبلی همچنین تشکیل کریستال های دیلیتیوم سولفید (Li2S) را در مرحله تخلیه نشان داد. نلسون گفت: Li2S کریستالی و پلی سولفیدها می توانند یک فیلم نازک ایجاد کنند که از هدایت الکترون ها و یون های لیتیوم جلوگیری می کند. film € filmفیلم به عنوان یک لایه عایق عمل می کند که می تواند باعث از بین رفتن باتری شود

چندین مطالعه با استفاده از میکروسکوپ های الکترونی تصاویری از الکترودهای پوشیده از پلی سولفیدها و Li2S کریستالی و کاتدهای تهی شده از گوگرد تولید کردند. این تصاویر محققان را به این نتیجه رساند که بیشتر گوگرد از نظر شیمیایی به ورقه های Li2S-polysulfide تبدیل شده است که مانع از عملکرد باتری می شود.

یافته های ناقص

اما به گفته نلسون و همکارانش ، برخی از مطالعات قبلی دارای اشکال بودند. نلسون گفت: "رویکردی که آنها استفاده می کردند اشتباه بود." به طور معمول ، آنها باتری را دور می زدند ، آن را جدا می کردند ، الکترولیت را می شستند و سپس آن را با پراش اشعه ایکس یا میکروسکوپ الکترونی تجزیه و تحلیل می کردند. اما هنگامی که این کار را انجام می دهید ، تمام پلی سولفیدهایی را که به راحتی در کاتد گیر افتاده اند ، می شوید. بنابراین هنگامی که از کاتد تصویر می کنید ، هیچ گونه گوگردی را اصلا نمی بینید
تیم Stanford-SLAC رویکرد متفاوتی را اتخاذ کرد. محققان از میکروسکوپ اشعه ایکس انتقال دهنده در SLAC برای گرفتن چندین تصویر از ذرات ریز گوگرد در هر پنج دقیقه در حین تخلیه باتری استفاده کردند. هر ذره کسری از اندازه یک دانه ماسه بود. نتایج واضح بود: هر ذره شکل و اندازه اصلی خود را در طول چرخه تخلیه حفظ کرد.

نلسون گفت: "ما انتظار داشتیم گوگرد به طور کامل ناپدید شود و پلی سولفیدها در الکترولیت ایجاد شود." st € n در عوض ما دریافتیم که در بیشتر موارد ، ذرات در همان جایی که بودند باقی می مانند و جرم بسیار کمی از دست می دهند. آنها پلی سولفیدها را تشکیل دادند ، اما اکثر آنها در نزدیکی کاتد کربن-گوگرد به دام افتاده بودند. ما مجبور نیستیم باتری را جدا کنیم یا حتی آن را متوقف کنیم ، زیرا می توانیم محتوای گوگرد را هنگام کارکرد دستگاه تصویر کنیم.

پراش اشعه ایکس یک شگفتی دیگر به همراه داشت. "بر اساس آزمایش های قبلی ، ما انتظار داشتیم که Li2S کریستالی در پایان چرخه تخلیه ایجاد شود." "اما ما یک تخلیه بسیار عمیق انجام دادیم و هرگز هیچ Li2S را در حالت کریستالی آن ندیدیم."

تحقیقات آینده

مایکل تونی ، سرپرست بخش علوم مواد در Stanford Synchrotron Radiation Lightsource در SLACâ ، می گوید که مطالعه استنفورد-SLAC می تواند راههای جدیدی برای تحقیقات باز کند که می تواند عملکرد باتری های لیتیوم-گوگرد را بهبود بخشد.

study € "مطالعه ما اهمیت استفاده از فناوری های اشعه ایکس با قدرت بالا برای مطالعه باتری ها در حین کار را نشان می دهد" Ton € Toney گفت. از نظر مهندسی ، دانستن این نکته مهم است که تکیه بر میکروسکوپ الکترونی استاندارد برای آزمایش وفاداری مواد ممکن است نتایج فریبنده ای به شما بدهد.

چندین آزمایشگاه تحقیقاتی به دنبال روش های جدیدی برای به دام انداختن پلی سولفیدها در کاتد هستند. تکنیک های مختلفی از جمله الکترولیت های جدید و نانولوله های کربنی با گوگرد پوشش داده شده است.

اما مشکل پلی سولفید ممکن است به همان اندازه که مطالعات قبلی نشان می دهد دلهره آور نباشد.

نلسون گفت: "ما دریافتیم که تعداد کمی از پلی سولفیدها وارد الکترولیت می شوند." c € œکاتد کربن-گوگرد در واقع آنها را بهتر از آنچه انتظار می رفت به دام انداخت. اما حتی مقدار کمی پلی سولفیدها باعث خرابی باتری در 10 سیکل می شوند. اگر دانشمندان می خواهند عمر چرخه باتری را افزایش دهند ، باید از نشت تقریباً تمام پلی سولفیدها به الکترولیت جلوگیری کنند. اگر آنها واقعاً می خواهند بدانند در داخل باتری چه می گذرد ، نمی توانند فقط از تجزیه و تحلیل استاندارد استفاده کنند. آنها به فناوری نیاز دارند که کل داستان را روایت کند

علاوه بر نلسون ، نویسندگان مشترک مطالعه JACS عبارتند از سوموهان میسرا ، محقق فوق دکتری SLAC و یوان یانگ ، دانشجوی دکتری استنفورد.

این مطالعه همچنین توسط یی کوئی ، استادیار علوم مواد و مهندسی مواد در استنفورد و علوم فوتون در SLAC ، تألیف شده است. هنگجی دائی ، استاد شیمی در دانشگاه استنفورد ؛ دانشجویان ارشد آریل جکسون و هایلیانگ وانگ از استنفورد ؛ و جوی سی اندروز ، دانشمند کارمند در SLAC.

این تحقیق توسط وزارت انرژی ، وزارت دفاع و فلوشیپ فارغ التحصیلان استنفورد پشتیبانی می شود.

SLAC یک آزمایشگاه ملی است که توسط استنفورد برای DOE اداره می شود. این مطالعه با همکاری موسسه استنفورد برای مواد و علوم انرژی ، مشارکت تحقیقاتی Stanford-SLAC انجام شد.