اخبار صنعت

مشاهدات جدید عملکرد داخلی باتری های لیتیوم یون را آشکار می کند

2021-06-16
موضوعات:
فناوری باتری ، یون لیتیوم ، علم مواد ، نانومواد ، باتری های یون لیتیوم
نویسنده DAVID L. CHANDLER ، MASSACHUSETTS INSTITUTE TECHNOLOGY OF TECHNOLOGY 9 ژوئن 2014



نمودار روند شارژ یا تخلیه الکترود لیتیوم آهن فسفات (LFP) را نشان می دهد. از آنجا که یون های لیتیوم در طول فرآیند شارژ حذف می شوند ، یک منطقه فسفات آهن با کاهش لیتیوم (FP) ایجاد می کند ، اما در این بین یک منطقه محلول جامد (SSZ ، نشان داده شده در آبی تیره سبز) برخلاف اتم های لیتیوم تصادفی توزیع شده وجود دارد. مجموعه منظم اتم های لیتیوم در مواد کریستالی اصلی (آبی روشن). این کار اولین مشاهدات مستقیم از این پدیده SSZ را ارائه می دهد.

محققان MIT عملکرد داخلی باتری لیتیوم یونی را نشان می دهند و نشان می دهند که چگونه یک محلول جامد تصادفی بر حرکت یون ها از طریق مواد باتری تأثیر می گذارد.

مشاهدات جدید محققان MIT عملکرد داخلی نوعی الکترود را نشان می دهد که به طور گسترده در باتری های لیتیوم یونی استفاده می شود. به گفته محققان ، یافته های جدید قدرت غیرمنتظره بالا و چرخه طولانی چنین باتری هایی را توضیح می دهد.

این یافته ها در مقاله ای در مجله Nano Letters نوشته شده است که توسط نویسنده MIT Jun Jie Niu ، دانشمند تحقیق Akihiro Kushima ، استادان Yet-Ming Chiang و Ju Li و سه نفر دیگر نوشته شده است.

ماده الکترود مورد مطالعه ، لیتیم فسفات آهن (LiFePO4) ، به عنوان یک ماده امیدوار کننده برای باتری های قابل شارژ بر اساس لیتیوم در نظر گرفته می شود. این قبلاً در برنامه های مختلف از ابزارهای برقی گرفته تا وسایل نقلیه برقی تا ذخیره سازی شبکه در مقیاس بزرگ نشان داده شده است. محققان MIT دریافتند که در داخل این الکترود ، در حین شارژ ، یک منطقه محلول جامد (SSZ) در مرز بین مناطق غنی از لیتیوم و لیتیوم-منطقه ای که فعالیت شارژ در آن متمرکز است ، ایجاد می شود ، زیرا یونهای لیتیوم خارج می شوند. از الکترود

لی می گوید که از لحاظ نظری پیش بینی شده بود که این SSZ وجود داشته باشد ، اما ما آن را برای اولین بار مستقیماً در فیلم های میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) که در حین شارژ گرفته شده است مشاهده می کنیم.

مشاهدات به حل یک معمای دیرینه در مورد LiFePO4 کمک می کند: در شکل کریستال فله ، هر دو فسفات آهن لیتیوم و فسفات آهن (FePO4 ، که هنگام خروج یون های لیتیوم از مواد در حین شارژ خارج می شوند) ، رسانایی یونی و الکتریکی بسیار ضعیفی دارند. با این حال ، هنگامی که با دوپینگ و پوشش کربن treated € درمان می شود و به عنوان نانوذرات در یک باتری استفاده می شود ، این ماده میزان شارژ فوق العاده بالایی را از خود نشان می دهد. Li € می گوید بسیار شگفت آور بود که این [سرعت شارژ و دشارژ سریع] برای اولین بار نشان داده شد ، Li € لی می گوید.

"ما مستقیماً یک راه حل جامد تصادفی متاستاز را مشاهده کردیم که ممکن است این مشکل اساسی را که سالهاست [دانشمندان مواد را به خود مشغول کرده است] برطرف کند ،" لی می گوید ، استاد علوم و مهندسی هسته ای اتحاد انرژی Battelle و استاد علوم مواد و مهندسی

SSZ یک حالت "قابل شستشو" است که حداقل چند دقیقه در دمای اتاق باقی می ماند. با جایگزینی یک رابط تیز بین LiFePO4 و FePO4 که نشان داده شده است دارای بسیاری از نقص های خط اضافی به نام "دررفتگی" است ، SSZ به عنوان یک بافر عمل می کند و تعداد دررفتگی ها را کاهش می دهد که در غیر این صورت با جبهه واکنش الکتروشیمیایی حرکت می کند. لی می گوید: "ما هیچ دررفتگی ای نمی بینیم." این می تواند مهم باشد زیرا تولید و ذخیره دررفتگی ها می تواند باعث خستگی شود و عمر چرخه الکترود را محدود کند.

بر خلاف تصویربرداری معمولی TEM ، تکنیک مورد استفاده در این کار ، که در سال 2010 توسط Kushima و Li توسعه یافت ، امکان مشاهده اجزای باتری را هنگام شارژ و تخلیه آنها فراهم می کند ، که می تواند فرآیندهای پویا را آشکار کند. Li € لی می گوید در چهار سال گذشته ، انفجار بزرگی در استفاده از چنین تکنیک های TEM درجا برای مطالعه عملکرد باتری رخ داده است.

به گفته لی ، درک بهتر از این فرایندهای پویا می تواند عملکرد یک ماده الکترود را با تنظیم بهتر خواص آن بهبود بخشد.

علیرغم درک ناقص تا به امروز ، نانوذرات لیتیوم فسفات آهن در حال حاضر در مقیاس صنعتی برای باتری های لیتیوم یون استفاده می شود. او می گوید: "علم از برنامه عقب مانده است." در حال حاضر مقیاس بندی شده و در بازار کاملاً موفق است. این یکی از داستانهای موفقیت فناوری نانو است

در مقایسه با یون لیتیوم سنتی ، [لیتیوم آهن فسفات] سازگار با محیط زیست و بسیار پایدار است ، Ni € Niu می گوید. ut € ut اما مهم است که این ماده به خوبی درک شود. €

در حالی که کشف SSZ در LiFePO4 انجام شده است ، لی می گوید ، "همین اصل ممکن است در مورد سایر مواد الکترود نیز صدق کند. مردم به دنبال مواد الکترود با قدرت بالا هستند و چنین حالتهای متاستابل ممکن است در سایر مواد الکترود که به صورت فله بی اثر هستند وجود داشته باشد. پدیده کشف شده می تواند بسیار کلی باشد و مختص این ماده نباشد

چونگمین وانگ ، دانشمند تحقیق در آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام که در این تحقیق شرکت نداشت ، این مقاله را "کار بزرگی" می نامد.

وانگ می گوید: "چند مدل بر اساس کار نظری و تجربی پیشنهاد شده است." ow € ow با این حال ، هیچ یک از آنها به نظر قطعی نمی رسد.. €

او می گوید ، این تحقیق جدید "شواهد قانع کننده و مستقیم" در مورد مکانیزم کار ارائه می دهد:

این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی شده است.

انتشار: Junjie Niu و همکاران ، n € در مشاهده وضعیت محلول جامد تصادفی در الکترود LiFePO4 ، N € نانو نامه ، 2014 ؛ DOI: 10.1021/nl501415b
تصویر: Junjie Niu و همکاران ، نامه های نانو ، 2014 ؛ DOI: 10.1021/nl501415b