«Вы могли бы вытащить семь или восемь часов из своего iPhone по одному обвинению, возможно день», говорит Реза Шэхбэзиэн-Яссэр, адъюнкт-профессор машиностроения в Мичиганском технологическом университете. «Это недостаточно для многих из нас. Полностью электромобиль, как Nissan Leaf, может подойти к 100 милям по единственному обвинению.
Чтобы обратиться к массовому рынку, это должны быть приблизительно 300 миль. Мы хотим увеличить власть этих систем».
Чтобы скрутить больше власти из литий-ионных аккумуляторов, ученые экспериментируют с различными материалами и проектами. Однако важное действие в батарее происходит на атомном уровне, и было фактически невозможно узнать точно, что происходит в таком масштабе. Теперь, Yassar разработал устройство, которое позволяет исследователям подслушивать отдельные литиевые ионы – и потенциально развивать следующее поколение батарей.
Батареи довольно просты. У них есть три главных компонента: анод, катод и электролит между двумя. В литиевых батареях литиевые ионы перемещаются назад и вперед между анодом и катодом, поскольку батарея освобождается от обязательств и находящаяся «под кайфом» снова. Аноды литий-ионных аккумуляторов обычно делаются из графита, но ученые проверяют другие материалы, чтобы видеть, могут ли они продлиться дольше.
«Как только литий перемещается в электрод, он подчеркивает материал, в конечном счете приводящий к неудаче», сказал Яссэр. «Вот почему многие из этих материалов могут быть в состоянии держать много лития, но они заканчивают тем, что ломались быстро.«Если бы мы смогли наблюдать эти изменения в электроде хозяина, особенно на очень ранней стадии зарядки, мы могли придумать стратегии решить ту проблему».Десять лет назад наблюдание легких элементов, таких как литий или водород на атомном уровне было бы вне рассмотрения.
Теперь, однако, возможно видеть легкие атомы с отклонением, исправленным, просматривая просвечивающий электронный микроскоп (AC-ОСНОВА). Команда Яссэра смогла использовать один в Университете Иллинойса в Чикаго, где он – адъюнкт-профессор посещения.Чтобы определить, как электрод хозяина изменяется, как, литиевые ионы входят в него, команда построила нанобатарею в микроскопе AC-ОСНОВЫ, используя многообещающий новый материал электрода, оловянную окись или SnO2. Затем они наблюдали, что он зарядил.
«Мы хотели наблюдать изменения в оловянной окиси в самой границе литий-ионного движения в электроде SnO2, и мы сделали», сказал Яссэр. «Мы смогли наблюдать, как отдельные литиевые ионы входят в электрод».Литиевые ионы прошли определенные каналы, когда они текли в оловянные кристаллы окиси вместо того, чтобы беспорядочно идти в атомы хозяина. На основе тех данных исследователи смогли вычислить напряжение, которое ионы помещали в электроды.
Открытие вызвало запросы от отраслей промышленности и национальных лабораторий, заинтересованных использованием его способности атомной резолюции в их собственной технической разработке батареи.«Это очень захватывающе», сказал Яссэр. «Есть столько возможностей для электродов, и теперь у нас есть этот новый инструмент, который может сказать нам точно, что происходит с ними. Прежде, мы не могли видеть то, что продолжалось; мы просто предполагали».Статья об исследовании, «Наблюдение на уровне атомов за Фронтом Реакции Lithiation в Наноразмерных Материалах SnO2», была опубликована онлайн 3 июня в Нано ACS.
В дополнение к Yassar соавторы – аспирант машиностроения Асти Азаьес-Ардакани и научный сотрудник Аньминь Не из Мичиганского технологического университета; литий-Yong Гань, Йингчун Ченг и Удо Швингешлогль из Университета короля Абдуллы Науки и техники, Саудовская Аравия; Кянкен Ли, Цэчжоу Дун и Тао Ван из Чжэцзянского университета, Китай; и Фарзэд Мэшейек и Роберт Кли из Университета Иллинойса в Чикаго.