Теперь, команда ученых из Брукхевенской Национальной лаборатории американского Министерства энергетики (DOE), Университета Пенсильвании, и Университета Мэриленда, Колледж-Парк, развивала электронный метод микроскопии, чтобы визуализировать – в режиме реального времени и в высоком разрешении – такие пути. Ученые использовали эту продвинутую технику, описанную в Коммуникационной работе Природы, опубликованной 9 мая, чтобы наблюдать выброс клетки литий-ионного аккумулятора, содержащей наночастицы магнетита – недорогой, нетоксичный, высоко проводящий материал высокого аккумулирования энергии. Эти механизмы выброса тогда коррелировались с темпами выброса батареи.
Результаты команды о том, как литий мигрирует в наноразмерном, могли помочь улучшить электрохимическое исполнение сопоставимых материалов электрода в литий-ионных аккумуляторах.«Понимание, как литиевые ионы проникают и перемещаются в наночастицы магнетита, может помочь нам рационально проектировать новые наноэлектроды для высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов», сказал Дун Су, ученый в Центре Brookhaven Lab Функциональных Наноматериалов, Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства, кто привел это исследование.Отображение lithiation наночастиц магнетитаЧтобы визуализировать, как структура магнетита развивается во время выброса, или lithiation, процесса, ученые использовали чувствительную к напряжению, ярко-полевую микроскопию электрона передачи просмотра.
В этой технике «яркий полевой» датчик у основания микроскопа собирает электроны, переданные через образец, производя контрастное изображение, по которому регионы без образца в пути электронного луча кажутся яркими, в то время как более толстые области образца кажутся темными. Контраст этого изображения чувствителен к напряжению или микросилам, которые вызывают очень небольшие местные структурные изменения в образце. В этом случае ученые вставили литиевые ионы в отдельные наночастицы магнетита, наблюдая, как структура каждой наночастицы развивается всюду по фазам lithiation.
В то время как lithiation магнетита и других металлических окисей с подобной структурой, как известно, происходит как последовательная двухступенчатая реакция прибавления (вставка литиевых ионов в комплекс) и преобразование (разложение комплекса), реакцию прибавления было невозможно визуализировать.«Во время прибавления объем объема решетки наночастицы магнетита изменяется только на несколько процентов, потому что вставленные литиевые ионы просто заполняют пустые места в решетке. Для сравнения преобразование намного легче видеть – нет никаких пустых мест, чтобы приспособить литий, таким образом, у решетки нет выбора, кроме как расшириться, на самом деле ломая материал электрода в некоторых случаях», объяснил Су. «Наша команда первая, чтобы захватить фазовые переходы, которые происходят в наночастицах во время реакции прибавления».
Определение путей реакции lithiationАнализируя получающиеся изображения микроскопа, ученые обнаружили, что прибавление первоначально следует за двухфазовой «вставкой и расширением» последовательность реакции.
Литиевые ионы сначала распространяются в поверхность наночастицы и затем продолжаются внутрь. При определенных существующих условиях далее lithiation приводит к конверсионной реакции и сосуществованию трех отличных фаз в единственной наночастице магнетита: чистый магнетит (Fe3O4), lithiated каменная соль (LixFe3O4) и соединение металлического железа (Fe) и литиевой окиси (Li2O).
Команда использовала исключая situ микроскопией электрона передачи с высоким разрешением, чтобы отследить эти атомные структурные изменения и подтвердить, что они не были ограничены единственной наночастицей, но были характерны для всего гальванического элемента. Образцы, произведенные дифракцией рентгена на образцах наночастицы, эксперимент, проводимый в Национальном Источнике света Синхротрона II, Офисе САМКИ Научного Пользовательского Средства на Brookhaven Lab, проверили чистый магнетит и lithiated фазы каменной соли, которые происходят во время прибавления.
«Эта неоднородность реакции в единственной частице означает, что прибавление и преобразование происходят одновременно в среднем ходе процесса lithiation», сказал Кай Хэ, первый автор данной статьи и бывший постдокторский исследователь CFN (теперь преподаватель исследования в Северо-Западном университете). «Большая литиевая концентрация в поверхности частицы могла вызывать преобразование вначале, в то время как прибавление еще не закончило».Учитывая законы термодинамики, эти две реакции должны произойти при различных напряжениях из-за различий в их естественной химии. Наблюдаемое наложение между этими двумя реакциями предполагает, что кинетический эффект, или как обвинение или ток выброса влияют на сумму энергии, которая может быть сохранена в батарее, играет важную роль в lithiation.
По высоким темпам выброса, например, реакция прибавления происходит намного быстрее, чем конверсионная реакция. Однако преобразование приспосабливает больше литиевых ионов из-за мест приложения, сделанных возможными смещением железных ионов. Таким образом, обе реакции важны, рассматривая общую литиевую мощность вставки батареи и, следовательно, ее полный темп аккумулирования энергии.«Кинетический эффект влияет на работу батареи.
Общепринятое, что медленно заряжение батареи в более низком токе максимизирует энергетическую способность. Но оптимизировать работу для мощных заявлений, мы должны понять, как эволюция фазы ведет себя с более быстрым обвинением и выбросом, и выясните, как максимизировать эти ставки, не жертвуя плотностью энергии», объяснил Кристофер Мюррей, Профессор университета Ричарда Перри Химии и Материаловедения и Разработки в Университете Пенсильвании, который является co-corresponding автором статьи.
Команда использовала вычислительное моделирование, чтобы описать двухступенчатую реакцию, вычисление напряжения выброса при различных литиевых концентрациях и моделировании процесса lithiation в наночастицах магнетита. Моделирование согласилось с наблюдением микроскопии в реальном времени за смешанными lithiation фазами с напряжением, уменьшающимся как конверсионные посвященные.
В будущем команда надеется разработать новый метод для того, чтобы одновременно визуализировать эволюцию фазы и измерить соответствующий электрохимический уровень материалов электрода в режиме реального времени.«Наша заключительная цель состоит в том, чтобы найти новые материалы электрода для литий-ионных аккумуляторов, которые могут сохранить более высокие суммы обвинения и выпустить энергию более быстро, чем в настоящее время существующие материалы как графит», сказал сенатор Чжан, постдокторант NatureNet в команде Мюррея. «Позволяя нам понять кинетическое поведение материалов электрода в наноразмерном, наша техника поможет нам достигнуть этой цели».