Используя мощный микроскоп, чтобы наблюдать многократные циклы зарядки и освобождения при реальных условиях батареи, исследователи получили сведения о химии, которая забивает перезаряжающиеся литиевые батареи. Работа, появляющаяся в мартовском выпуске журнала Nano Letters, поможет исследователям проектировать более дешевые и более мощные аккумуляторы с металлами, более распространенными и более безопасными, чем литий.
«Эта работа – первые визуальные доказательства того, что приводит к формированию литиевых дендритов, наночастиц и волокон, обычно находимых в перезаряжающихся литиевых батареях, которые растут со временем и лидерство к отказу батареи», сказал ведущий ученый Найджел Браунинг, физик в Тихоокеанской Северо-западной Национальной лаборатории Министерства энергетики.Древовидное бедствиеКак любой с перестающим работать сотовым телефоном знает, было бы хорошо, если бы аккумуляторы поддержали больше власти, прослужили дольше и были более дешевыми. Решение этих проблем могло также сделать электромобили и возобновляемую энергию более привлекательными.
Используя металлы, такие как магний или алюминий вместо лития мог улучшить жизнь батарей и стоить, но научные исследования в нелитий rechargeables сильно отстают от общих коммерческих литий-ионных.Чтобы ускорить разработку аккумуляторов, САМКА финансировала Совместный Центр Исследования Аккумулирования энергии, сотрудничества нескольких национальных лабораторий, университетов и компаний частного сектора.
Мультидисциплинарные команды ученых исследуют множество проблем, надеясь преодолеть их, понимая основные химические принципы.Например, аккумуляторы страдают от роста дендритов, микроскопические, подобные булавке волокна, которые сокрушают электроды батареи. Недавно, исследователи JCESR во главе с PNNL обнаружили способ устранить дендриты в литиевых батареях [http://www.pnl.gov/news/release.aspx?id=4181] при помощи специального электролита. Чтобы лучше понять, как дендриты формируются и могут быть предотвращены на микроскопическом уровне, другая команда JCESR во главе с Найджелом Браунингом PNNL изобрела микроскоп, который мог исследовать полную рабочую батарею в действии.
В отличие от других представлений о внутренних работах батарей при высоком усилении, большинство которых использует только часть батареи или имеет, чтобы изучить их под давлениями, не, как правило, используемыми в батареях, команда Браунинга создала полный функционирующий гальванический элемент под нормальными условиями работы.«Это – очень увлекательная работа», сказала первый автор Лейла Мехди. «Мы построили реальную рабочую батарею в просвечивающем электронном микроскопе.
Преимущество состоит в том, что мы можем непосредственно наблюдать все химические реакции в интерфейсе электрода электролита в режиме реального времени, поскольку они происходят во время езды на велосипеде батареи».Микроскопический ch ch ch зарядкаЧтобы сделать это, команда должна была настроить просвечивающие электронные микроскопы для их потребностей. В частности, они должны были преодолеть ущерб, нанесенный высоким энергетическим лучом микроскопа: электронные микроскопы используют электронные лучи, чтобы визуализировать то, что находится в поле зрения как регулярный свет использования микроскопа.
Команда определила оптимальный способ сиять луч прежде, чем получить повреждение. Это позволило исследователям заряжать и неоднократно освобождать от обязательств крошечную батарею и уверяться изменения, которые они видели под объемом происходили из-за работы от аккумулятора а не самого луча.Их экспериментальная батарея носила платиновый электрод и обычно используемый электролит жидкости батареи, названный литием hexafluorophosphate в карбонате пропилена.
Работа по положительно заряженным литиевым ионам электролита состоит в том, чтобы собраться в платиновом электроде, когда батарея заряжает, где они держатся на электричество, пока батарея не используется.И литиевые ионы сделали свою работу. Когда команда накачала электроны в батарею, литиевые ионы стекались к электроду, который, казалось, выращивал пучки волос как 1970-е домашнее животное Цзя.
Освобождение батареи выкачало пучки, но не полностью. Дальнейший анализ показал, что оставшиеся пучки могли только быть литиевым металлом на основе своей низкой плотности по сравнению с продуктами распада электролита, о которых обычно сообщают. Потеря свободных литиевых ионов к этим глыбам «мертвого лития» уменьшает работу батареи.
Кроме того, освобождение оставленных трещин на электроде. Больше циклов зарядки и освобождения заставило больше трещин расти и мертвый литий, чтобы накопиться, некоторые в электролите и некоторых на поверхности электрода.
Значительно, исследователи смогли измерить рост известного слоя на поверхности электрода, которая вмешивается в работу. Названный SEI для межфазы твердого электролита, этот слой формируется из-за взаимодействий между литием и электролитом. В конечном счете SEI препятствует тому, чтобы батарея приняла управление. Микроскопическое отображение показало, как быстро слой сформировался и где.
Хотя эти эксперименты преподавали их литиевому поведению, Браунинг сказал, что он более счастлив применить технологию, чтобы изучить другие металлические аноды, металлы, такие как магний, медь и другие, которые могли бы привести к новому поколению систем клеточного содержания.«Как только Вы можете изображение это», говорил он, «почему цикл батарея в течение многих дней и дней и дней, когда Вы знаете, как быстро батарея распадается?
Теперь мы можем сократить езду на велосипеде и движение к тестированию отдельных особенностей новой химии батареи».