Мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки: они все работают на литий-ионных аккумуляторах. Они характеризуются высокой плотностью энергии, оставаясь маленькими и достаточно легкими, чтобы использоваться в портативных устройствах. «Литий-ионный аккумулятор может сохранить три – четыре раза энергию сравнимой по размерам батареи кадмия никеля», объясняет Доктор habil. Ральф Жиль, ученый из Нейтронного Источника Хайнц Майер-Лейбниц (КАДР II).
Даже температурные колебания и долгосрочное хранение не создают проблемы для литий-ионных аккумуляторов.Эти преимущества делают литий-ионные аккумуляторы ключевой технологией для электроподвижности. В не слишком отдаленном будущем электромобили будут в состоянии держать свое собственное против управляемых жидким топливом транспортных сред – также относительно доступного расстояния. Это потребует мощных, безопасных и быстро заряжающих батарей.
Литиевая металлизация может вызвать короткие замыканияОднако один ранее известный, все же плохо понятое явление стоит на пути этой цели: металлическое литиевое смещение или литиевая металлизация, как это называют.Проще говоря, аккумулирование энергии в литий-ионном аккумуляторе работает следующим принципом: И положительный электрод (катод) и отрицательный электрод (анод) могут связать литиевые ионы.
Во время зарядного процесса вызванная электрическая область вынуждает ионы переместиться от катода до анода. Когда батарея освобождена от обязательств, литиевые ионы пятятся к катоду, выпуская энергию в процессе.Катод в литий-ионных аккумуляторах включает литиевую металлическую окись, в то время как стандартный материал для анодов батареи – графит (углерод) со слоистой структурой.
Во время зарядного процесса литиевые ионы сохранены в этих слоях.Однако иногда литиевые ионы формируют металлический литий вместо того, чтобы вставиться в анод, как желаемый. Литий вносит на анод и больше не полностью доступен для описанного процесса.
Результат – понижение работы батареи. В крайних случаях это может даже привести к коротким замыканиям.
Кроме того, металлический литий очень воспламеняющийся.Неразрушающее расследование, используя нейтроны в качестве исследованияДо настоящего времени наблюдение точного механизма на работе во время литиевой металлизации не было возможно. Когда батарея открыта, объясняет Ральф Жиль, Вы только получаете снимок ее текущего состояния.
Все же количество металлического лития постоянно изменяется. Используя нейтронные лучи, ученые доктор Вероника Цинт в Нейтронном Источнике Хайнц Майер-Лейбниц (КАДР II) и Кристиан фон Людерс в Отделе Технологии Хранения Электроэнергии смог наблюдать процессы в батареях, не сокращая их открытый.«В отличие от других методов, с нейтронной дифракцией мы можем сделать более точные заявления о том, когда и как решительно литиевая металлизация происходит», объясняет Вероника Цинт.
Используя существенное исследование diffractometer СПЕКУЛЯЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ в КАДРЕ II, исследователи установили батарею, и в зарядке и в освобождении государств, в нейтронный луч. Луч нейтрона инцидента дифрагирован согласно закону Брэгга и собран в датчике. Используя эти сигналы, исследователи смогли косвенно вывести, сколько металлического лития сформировалось.Быстрее зарядка означает больше металлического лития
Начальные результаты исследования:Чем быстрее зарядный процесс, тем более металлический литий сформирован. До 19% литиевых ионов, обычно вовлеченных в зарядку и освобождение процесса, берут металлическую форму. (Измерения были сделаны на уровне-20 градусов Цельсия).Во время 20-часовой фазы отдыха после быстрого перезаряжают часть металлического лития, реагирует с графитом, вставляющимся между слоями графита как литиевые ионы.
Это – эффективно задержанный, медленный зарядный процесс. Хотя, только часть литиевой металлизации обратима.Низкие температуры поощряют формирование металлического лития.
Ученые планируют дальнейшие эксперименты, чтобы пролить больше света на механизм металлизации лития. Результаты могут помочь ответить на вопрос того, как явление могло бы быть предотвращено в целом. Это также включит ответ на вопрос того, как быстро батареи могут быть заряжены, прежде чем металлизация лития начинается.Исследование – часть немецкого Федерального министерства Образования и Исследования (BMBF) ExZellTUM (Центр Exellence Гальванических элементов) проект.
Проект ExZellTUM приспособлен к развитию новых систем аккумулирования энергии, а также новых производственных процессов, формируя стратегии и испытательные технологии для производства хранения систем. Проект включает четырех партнеров: Отдел Систем Хранения Электроэнергии, Отдел Станков и Промышленное управление, Отдел Технической Электрохимии и Нейтронного Источника Хайнц Майер-Лейбниц.