Литий-ионные аккумуляторы находятся в наших мобильных телефонах, ноутбуках и цифровых фотоаппаратах. Немного портативных электронных устройств существуют, которые не полагаются на эти источники энергии. В настоящее время электроды батареи содержат активные материалы, известные как комплексы прибавления.
Эти материалы хранят обвинение в своей химической структуре, не претерпевая существенное структурное изменение. Это делает эти батареи сравнительно долговечными и безопасными.
Однако у материалов прибавления есть один недостаток: их ограниченная плотность энергии, сумма энергии они могут сохранить за объем и массу.В поиске более высоких батарей плотности энергии ученые экспериментировали больше 20 лет с материалами, способными к повторяющемуся получению сплава и de-получению-сплава с литием. Эксперименты лабораторных весов показали, что у батарей с такими материалами есть плотность энергии многократно больше чем это материалов прибавления; однако, эти материалы получения сплава еще не эксплуатируются в промышленности, потому что их жизнь ограничена. Мартин Эбнер, аспирант в Лаборатории для Наноэлектроники в Отделе Информационных технологий и Электротехники (D-ITET) объясняет: «Их способность, как правило, исчезает после нескольких зарядок и освобождения циклов».
Это приписано крупному – до трехкратного – расширение материала электрода во время зарядки. Во время выброса материалы сокращаются снова, но не достигают своего исходного состояния. Частицы электрода разбиваются, структура электрода распадается, и фрагменты свободный контакт к остальной части клетки.
Батареи сделаны рентген во время операцииЧтобы лучше понять это сложное электрохимическое и механическое ухудшение электрода и получить сведения, как разработать лучшие батареи, Мартин Эбнер и ETH-профессор Ванесса Вуд, глава Лаборатории для Наноэлектроники в D-ITET, признали потребность изучить электрод батареи неагрессивно во время операции. Чтобы сделать так, они обратились к инструменту отображения, разработанному ETH-профессором Марко Стампанони, который занимает позицию способности в Институте Биоинженерии в D-ITET, Кроме того, он управляет томографической микроскопией рентгена beamline в швейцарском Источнике света, средстве синхротрона на Институте Пола Шеррера. Спектрально чистая и интенсивная радиация рентгена синхротрона позволяет быстрое приобретение изображений рентгена с высоким разрешением, которые могут быть в вычислительном отношении собраны в трехмерные фильмы.
Исследователи наблюдали внутреннюю часть батареи, поскольку это зарядило и освободило от обязательств более чем 15 часов. Они собрали уникальные, трехмерные фильмы, которые захватывают механизмы деградации, происходящие в батарее, и определили количество процессов, происходящих в каждой частице для тысяч частиц в электроде.
Результаты этого исследования будут изданы в журнале Science; предварительная печатная версия доступна онлайн в Science Express.Необратимые структурные изменения
Данные иллюстрируют, что оловянная окись (SnO) частицы расширяется во время зарядки из-за притока литиевых ионов, вызывающих увеличение объема частицы. Ученые демонстрируют, что материал lithiation происходит как процесс основной раковины, прогрессируя однородно от поверхности частицы до ядра.
Материал, подвергающийся этой реакции, расширяется линейно с сохраненным обвинением. Изображения рентгена показывают, что зарядка разрушает структуру частицы безвозвратно с трещинами, формирующимися в частицах. «Это первоклассное формирование не случайно», подчеркивает Эбнер.
Трещины растут на местоположения, где кристаллическая решетка содержит существующие ранее дефекты. Во время выброса, уменьшений объема частицы; однако, материал не достигает своего исходного состояния снова; процесс поэтому не абсолютно обратим.
Изменение объема отдельных частиц стимулирует расширение всего электрода от 50 микрометров до 120 микрометров. Однако во время выброса, электрод сокращается только к 80 микрометрам.
Эта постоянная деформация электрода демонстрирует, что переплет полимера, который скрепляет электрод, еще не оптимизирован для материалов расширения большого объема. Это очень важно для работы батареи, потому что деформация переплета заставляет отдельные частицы становиться разъединенными от электрода, и батарея теряет способность.В дополнение к демонстрации того рентгена томографическая микроскопия обеспечивает понимание морфологических изменений в частицах и электродах, исследователи показывают, что эта техника может также использоваться, чтобы получить количественный и пространственно решила химическую информацию.
Например, исследователи анализируют химический состав всюду по электроду батареи, чтобы посмотреть на различия в lithiation динамике на единственном уровне частицы и сравнить это со средним поведением частицы. Этот подход важен для понимания влияния размера частицы, формы и однородности электрода на работе батареи.Такое понимание эксплуатации батареи не было бы возможно без очень передовой установки томографии рентгена в швейцарском Источнике света. «Визуализация батарей в операции была чрезвычайно невозможна до недавних достижений в томографии рентгена.
Благодаря средствам мирового класса, развитым профессором Стампанони и его командой, мы можем наблюдать батарею на работе», добавляет Вуд с энтузиазмом.Альтернативы прозрачным материаламИсследователи выбрали прозрачную оловянную окись в качестве образцового материала, потому что она подвергается ряду сложных преобразований, также существующих в других материалах, позволяя глубже понимающий в поведение множества материалов батареи. Понимание обеспечивает основание для развития новых материалов электрода и структур электрода, которые терпимы к расширению объема.
Для Вуда результаты этой работы указывают на выгоду использования аморфных или наноструктурированных материалов вместо прозрачных. «На поисках новых материалов нужно также принять во внимание, что они имеют только промышленный интерес, если они могут быть произведены в больших количествах по низкой цене. Однако аморфные и наноструктурированные материалы предлагают достаточную детскую площадку для инноваций». подчеркивает Вуда.