Метод был разработан в Продвинутом Источнике света Berkeley Lab, Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства, командой исследователей от Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Berkeley Lab, Стэнфордского университета и других учреждений.Как сообщается сегодня в журнале Science, ученые использовали подход к изображению частицы батареи размера микрона, поскольку литиевые ионы мигрируют в и из частиц. Изображения ведут хронику эволюции химического состава частиц и темпов реакции в наноразмерном пространственном разрешении и поминутной резолюции времени.
Среди результатов ученые обнаружили, что зарядный процесс не теряет значение однородно на поверхности частицы, явление, которое, вероятно, обуздывает работу батареи со временем. Это и другое понимание, полученное из метода отображения, могли помочь исследователям улучшить батареи для электромобилей, а также смартфоны, ноутбуки и другие устройства.
«Платформа, которую мы развивали, позволяет нам динамике батареи изображения в мезомасштабном, которое является между несколькими миллимикронами и несколькими сотнями миллимикронов», говорит Уилл Чуех, ученый способности из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, и доцент материаловедения & разработки в Стэнфордском университете, который привел исследование.«Это – очень трудная шкала расстояний к изображению в функционирующей батарее, но это критически важно, потому что это – масштаб, который управляет фундаментальными процессами, вовлеченными в деградацию батареи, и перезарядите время», говорит Чуех.Власть рентгена
Ученые развивали платформу в Продвинутом Источнике света, который производит свет в области рентгена электромагнитного спектра. Техника была осуществлена в двух beamlines, которые предлагают высокоэффективный просмотр передачи делает рентген микроскопии (STXM), в котором чрезвычайно яркий луч рентгена сосредоточен на маленькое место.Их специально разработанная «жидкая электрохимическая платформа наноотображения STXM» использует мягкий рентген средства для железных частиц фосфата лития изображения, поскольку они заряжают (delithiate) и выброс (lithiate) в жидком электролите. Их экспериментальная установка может изображение приблизительно тридцать частиц за один раз.
В реальной батарее тысячи этих частиц формируют электрод, и положительно обвинили, что литиевые ионы включают в электрод как обвинения в батарее. Идеально, ионы вставлены однородно через поверхность электрода. Но это редко происходит, тем более, что батарея стареет, который отрицательно затрагивает работу.«У нас теперь есть способ изучить этот процесс в режиме реального времени в масштабе, это происходит, который поможет ученым лучше понять процесс и возможно оптимизировать его», говорит Дэвид Шапиро, физик с Продвинутым Источником света, который помог Chueh развивать технику на предприятии.
«Наша основанная на STXM платформа обеспечивает способность к изображению эти электрохимические изменения в единственной частице батареи», добавляет Шапиро. «И это предлагает резолюцию в реальном времени, требуемую нанести на карту изменения в химическом составе частиц и плотностях тока, в масштабе подчастицы, как частицы lithiate и delithiate».Ранее, Chueh и другие ученые использовали микроскопию электрона передачи (TEM), чтобы изучить рабочие батареи в наноразмерном. Подход предлагает очень хорошее пространственное разрешение.
Но микроскопия рентгена может изображение большее поле зрения и более толстые материалы, чем TEM, означая, что это может изучить материалы, которые более тесно напоминают реальные батареи. Кроме того, микроскопия рентгена обеспечивает очень высоко химическую специфику.Шапиро и коллеги теперь строят еще более мощные микроскопы рентгена в Продвинутом Источнике света, чтобы улучшить пространственное разрешение платформы фактором десять. Это позволит исследователям изучить частицы батареи, которые намного меньше, чем один микрон.
Меньшие частицы, как известно, выступают лучше, чем большие частицы, но ученые не полностью понимают почему.«Мы теперь работаем, чтобы достигнуть пространственного разрешения, приближающегося к мягкой длине волны рентгена, между одним и пятью миллимикронами, с нашими микроскопами рентгена», говорит Шапиро. «Это позволит нам к изображению химические фазы в самых маленьких доступных частицах, часто меньше чем 100 миллимикронов в размере, и все еще даст нам проникающее право посмотреть на большие объемы материала, такие как тысячи частиц батареи.
Цель – к изображению функциональные батареи с резолюцией миллимикрона через микроскопию рентгена».