«Наша работа была сосредоточена на развитии метода, чтобы отследить структурные и электрохимические изменения в наноразмерном, поскольку материал батареи заряжал», сказал Брукхевенский физик Юн Ван, который привел исследование. Ее группа особенно интересовалась химическим отображением, что происходит в литиевом железном фосфате – материале, обычно используемом в катоде или положительном электроде, электрических батарей транспортного средства – как заряженная батарея. «Мы хотели поймать и контролировать преобразование фазы, которое происходит в катоде, когда литиевые ионы перемещаются от катода до анода», сказала она.
Получение как можно большего количества литиевых ионов, чтобы переместиться от катода до анода посредством этого процесса, известного как delithiation, является ключом к перезарядке батареи к ее самой полной способности, таким образом, это будет в состоянии обеспечить власть в течение самого долгого промежутка времени. Понимание тонких деталей того, почему это не всегда происходит, могло в конечном счете привести к способам улучшить работу батареи, позволив электромобилям поехать дальше прежде, чем должным быть быть перезаряженным.Отображение рентгена и химическое снятие отпечатков пальцевМного предыдущих методов, используемых, чтобы проанализировать такие материалы батареи, произвели данные, которые составляют в среднем эффекты по всему электроду.
Эти методы испытывают недостаток в пространственном разрешении, необходимом химического отображения или наноразмерного отображения, и, вероятно, пропустят возможные небольшие эффекты и местные различия в образце, объяснил Ван.Чтобы улучшить те методы, Брукхевенская команда использовала комбинацию полных – область, микроскопия рентгена передачи (TXM) наноразмерной резолюции и поглотительная спектроскопия почти края рентгена (XANES) в National Synchrotron Light Source (NSLS), Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства, которое обеспечивает лучи рентгена высокой интенсивности для исследований во многих областях науки. Этот рентген может проникнуть через материал, чтобы произвести и изображения с высоким разрешением и спектроскопические данные – своего рода электрохимический «отпечаток пальца», который показывает, пиксель пикселем, где литиевые ионы остаются в материале, куда они были удалены, оставив только железный фосфат и другие потенциально интересные электрохимические детали.
Ученые использовали эти методы, чтобы проанализировать образцы, составленные из многократных наноразмерных частиц в реальном электроде батареи под условиями работы (в operando). Но потому что может быть много наложения частиц в этих образцах, они также провели то же самое в исследовании operando, используя меньшие суммы материала электрода, чем будет найдено в типичной батарее. Это позволило им получать дальнейшее понимание, как delithiation реакция продолжается в отдельных частицах без наложения.
Они изучили каждую систему (мультичастица и отдельные частицы) согласно двум различным зарядным сценариям – быстрый (как, Вы достигнете станцию перезарядки электромобиля), и медленный (используемый, включая Ваше транспортное средство дома в течение ночи).Понимание, почему зарядка вопросов уровняПодробные изображения и спектроскопическая информация показывают беспрецедентное понимание, почему быстрая зарядка уменьшает мощность батареи. По быстрому взимающему сбору изображения пикселя пикселем показывают, что преобразование от lithiated до delithiated железного фосфата продолжается неоднородно.
Таким образом, в некоторых областях электрода все литиевые ионы удалены, оставив только железный фосфат позади, в то время как частицы в других областях не показывают изменения вообще, сохраняя их литиевые ионы. Даже в «полностью заряженном» государстве, некоторые частицы сохраняют литий, и мощность электрода значительно ниже максимального уровня.«Это – первый раз, когда любой был в состоянии видеть, что delithiation происходил по-другому в различных пространственных местоположениях на электроде при быстрых зарядных условиях», сказал Юн Ван.Медленнее зарядка, напротив, приводит к гомогенному delithiation, где литиевые железные частицы фосфата всюду по электроду постепенно переходят на чистый железный фосфат – и у электрода есть более высокая мощность.
Последствия для лучшего дизайна батареиУченые знали некоторое время, что медленная зарядка лучше для этого материала, «но люди не хотят заряжать медленно», сказал Джиэджун Ван, ведущий автор статьи. «Вместо этого Мы хотим знать, почему быстрая зарядка дает более низкую мощность. Наши результаты предлагают подсказки, чтобы объяснить, почему, и мог дать промышленные указания, чтобы помочь им развивать будущее fast-charge/high-capacity батарея», сказал он.
Например, преобразование фазы может произойти более эффективно в некоторых частях электрода, чем другие из-за несоответствий в физической структуре или составе электрода – например, его толщина или насколько пористый это. «Так вместо того, чтобы сосредоточиться только на особенностях человека материалов батареи, производители могли бы хотеть посмотреть на способы подготовить электрод так, чтобы все части его были тем же самым, таким образом, все частицы могут быть вовлечены в реакцию вместо просто некоторых», сказал он.Исследование отдельной частицы, также обнаруженное, впервые, сосуществование двух отличных фаз – lithiated железный фосфат и delithiated, или чистый, железный фосфат – в единственных частицах. Это открытие подтверждает одну модель delithiation преобразования фазы – а именно, что это продолжается от одной фазы до другого без существования промежуточной фазы.
«Эти открытия обеспечивают фундаментальное основание для развития улучшенных материалов батареи», сказал Юн Ван. «Кроме того, эта работа демонстрирует уникальную способность применения наноразмерного отображения и спектроскопических методов в понимании материалов батареи со сложным механизмом в реальной батарее эксплуатационные условия».Бумага отмечает, что это в подходе operando могло быть применено в других областях, таких как исследования топливных элементов и катализаторов, и в науках об окружающей среде и биологических науках.Будущие исследования, используя эти методы в NSLS-II – который произведет рентген, в 10,000 раз более яркий, чем те в NSLS – будут иметь еще большую резолюцию и обеспечат более глубокое понимание физических и электрохимических особенностей этих материалов, таким образом позволяющих ученым далее объяснять, как те свойства затрагивают работу.
Ю-чен Карен Чен-Вигарт также способствовал этому исследованию. Эта работа была поддержана Лабораторным Целенаправленным исследованием и развитием (LDRD) проект в Брукхевенской Национальной лаборатории.
Использование NSLS было поддержано Офисом американского Министерства энергетики Науки.