Хотя технология батареи проделала длинный путь, так как Алессандро Вольта сначала сложил металлические диски в «гальванической груде», чтобы произвести электричество, основные улучшения все еще необходимы, чтобы справиться с энергетическими проблемами будущего, такими как включение электромобилей и хранение возобновляемой энергии дешево и эффективно.Ключ к необходимым улучшениям, вероятно, находится в наноразмерном, сказал Джиэнгю Ли, преподаватель Машиностроения в Вашингтонском университете в Сиэтле.
Наноразмерной является сфера, столь крошечная, что движение нескольких атомов или молекул может переместить пейзаж. Ли и его коллеги встроили новое окно в этот мир, чтобы помочь ученым лучше понять, как действительно работают батареи. Они описывают свое наноразмерное исследование в Журнале Прикладной Физики от AIP Publishing.Батареи и их близкие топливные элементы семьи, вырабатывают электроэнергию посредством химических реакций.
Ставки, по которым происходят эти реакции, определяют, как быстро батарея может зарядить, сколько власти она может обеспечить, и как быстро она ухудшается.Хотя материал в электроде батареи может выглядеть однородным к человеческому глазу к самим атомам, окружающая среда удивительно разнообразна.Около поверхности и в интерфейсах между материалами, огромные изменения в свойствах могут произойти – и изменения могут затронуть темпы реакции сложными и трудно понимаемыми способами.Исследование за прошлые десять – пятнадцать лет показало, насколько местные изменения в свойствах материала могут затронуть работу батарей и других электрохимических систем, сказал Ли.
Сложный наноразмерный пейзаж делает его хитрым, чтобы полностью понять то, что продолжается, но «это может также создать новые возможности спроектировать свойства материалов, чтобы достигнуть квантовых прыжков в работе», сказал он.Получить лучшее понимание того, как прогресс химических реакций на уровне атомов и молекул, Ли и его коллег развивал наноразмерное исследование.
Метод подобен атомным микроскопиям силы: крошечная консоль «чувствует» материал и строит карту его свойств с резолюцией миллимикронов или меньший.В случае нового электрохимического исследования консоль нагрета с электрическим током, вызвав колебания температуры и локализовала напряжение в материале ниже исследования. В результате атомы и ионы в материале перемещаются, заставляя его расшириться и сократиться. Это расширение и сокращение заставляют консоль вибрировать, который может быть измерен, точно используя лазерный луч, сияющий на вершине консоли.
Если большая концентрация ионов или других заряженных частиц будет существовать около наконечника исследования, изменения в их концентрации заставят материал искажать далее, подобный способу, которым раздувается древесина, когда это промокает. Деформацию называют напряжением Vegard.И напряжение Vegard и стандартное тепловое расширение затрагивают вибрацию материала, но по-разному. Если колебания были похожи на музыкальные ноты, тепло вызванное напряжение Vegard похоже на гармонический обертон, звоня одну октаву выше, чем играемое примечание, объяснил Ли.
Устройство определяет Vegard вызванные напряжением колебания и может экстраполировать концентрацию ионов и электронных дефектов около наконечника исследования. У подхода есть преимущества перед другими типами атомной микроскопии, которые используют волнения напряжения, чтобы произвести ответ, так как напряжение может произвести много различных видов ответов, и трудно изолировать часть ответа, связанного с изменениями в ионной и электронной концентрации дефекта. Тепловые ответы легче определить, хотя один недостаток новой системы – то, что она может только исследовать ставки медленнее, чем процессы теплопередачи около наконечника.Однако, команда полагает, что новый метод предложит исследователям ценный инструмент для изучения электрохимических свойств материала в наноразмерном.
Они проверили его, измерив концентрацию заряженных разновидностей в лакируемой См окиси церия и LiFePO4, важных материалах в твердых окисных топливных элементах и литиевых батареях, соответственно.«Концентрация ионных и электронных разновидностей часто связывается с важными свойствами уровня электрохимических материалов – такими как поверхностные реакции, межфазовая передача обвинения, и большая часть и поверхностное распространение – которые управляют производительностью устройства», сказал Ли. «Измеряя эти свойства в местном масштабе на наноразмерном, мы можем построить намного лучшее понимание того, как электрохимические системы действительно работают, и таким образом как развивать новые материалы с намного более высокой работой».