Литий-ионные аккумуляторы очень распространены, потому что они обладают высокой плотностью обвинения. Как правило, вместимость значительно уменьшена после одной тысячи обвинений и выбросов. Многообещающий кандидат на новое поколение таких систем аккумулирования энергии, особенно из-за их высокого напряжения 4,7 В, то, что известно как литиевые марганцевые материалы шпинели окиси никеля или шпинели LNMO.
Электроды состоят из миниатюрных кристаллов, также называемых кристаллитами, которые связаны с переплетом материальный и проводящий углерод, чтобы сформировать тонкий слой.Команда вокруг Bosenberg, который также включает исследователей из Университета Гиссена из Университета Гамбурга и из национальной научной службы Австралии CSIRO, изучила отрицательные электроды этого комплекса LiNi0.5Mn1.5O4 в beamline P06 микроцентра рентгена ПЕТРЫ III.
Они могли определить, с половиной микрометра (миллионная часть метра) резолюция, точное распределение никеля и марганца по большим площадям на электроде, использовав новый датчик флюоресценции рентгена. Молекулярная структура активного материала в электродах батареи состоит из никеля (Ni), марганца (Mn) и кислород (O) – где структура – относительно твердая кристаллическая решетка, в которую литиевые ионы, как мобильные перевозчики обвинения, могут быть вставлены или извлечены.
В их данном исследовании исследователи выставили различные электроды батареи двадцати пяти зарядкам и освобождению циклов каждый, по трем различным ставкам и измерили элементарное распределение компонентов электрода. Ученые могли показать, что во время быстрой зарядки, марганец и атомы никеля выщелочены из кристаллической структуры. В их расследовании исследователи определили дефекты, такие как отверстия в электроде с максимум 100 микронов (0,1 миллиметра) диаметром.
Разрушенные области больше не могут использоваться для литиевого хранения.Используя метод флюоресценции рентгена в их исследованиях, исследователи использовали в своих интересах то, что рентген может взволновать химические элементы во флюоресценцию, краткосрочную радиационную эмиссию. Длина волны или энергия флуоресцентной радиации – характерный отпечаток пальца для каждого химического элемента.
Таким образом, распределение отдельных материалов в электроде может быть точно определено. Для этой задачи исследователи использовали новый датчик флюоресценции, только два из которых в настоящее время существуют во всем мире в этой форме. Этот датчик Майи, совместное развитие CSIRO и Брукхевенской Национальной лабораторией в США, состоит почти из четырехсот отдельных элементов, которые собирают флуоресцентную радиацию образца. Из-за высокого энергетического разрешения и чувствительности датчика, это способно к локализации нескольких химических элементов одновременно.
Луч рентгена ПЕТРЫ III узкой и высокой интенсивности мог точно просмотреть типовую поверхность, которая измерила приблизительно 2×2 квадратных миллиметра с резолюцией половины микрометра. Исследование каждого пункта заняло просто одну тысячную секунды. «Это – первый раз, когда мы могли локализовать эту неоднородность с таким высоким пространственным разрешением по настолько большой области», говорит Бозенберг. «Мы надеемся лучше понять эффекты и создать фонд для улучшенных устройств аккумулирования энергии».
То, что является все еще озадачивающим, – то, где расторгнутые атомы никеля и марганца заканчиваются – это – вопрос, который исследователи хотели бы решить в дальнейших исследованиях. «Есть признаки, что расторгнутый материал, по крайней мере частично, обосновывается на аноде, который причиняет дважды ущерб свойств батареи», Bosenberg подводит итог.