​Исследователи приближаются к созаднию более быстрозаряжающимся литий-ионным батареям

-
12:20
96
​Исследователи приближаются к созаднию более быстрозаряжающимся литий-ионным батареям

Группа ученых во главе с Брукхейвенской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE) и Национальной лабораторией Лоренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) в режиме реального времени фиксировали движение ионов лития в титанате лития (LTO), быстро заряжающемся материале электродов батареи, изготовленном из лития, титана и кислорода. Они обнаружили, что искаженное расположение лития и окружающих его атомов в «промежуточных звеньях» LTO (структурах LTO с концентрацией лития в промежутке между его начальным и конечным состоянием) обеспечивает «экспресс-полоску» для перемещения ионов лития.

Их открытие, о котором сообщалось в журнале Science, могло бы дать представление о разработке усовершенствованных материалов батарей для быстрой зарядки электромобилей и портативной бытовой электроники, такой как сотовые телефоны и ноутбуки.

Графит обычно используется в качестве анода в современных литий-ионных батареях, но для приложений с быстрой зарядкой LTO является привлекательной альтернативой. LTO может быстро вместить ионы лития, не страдая от литиевого покрытия (осаждение лития на поверхность электрода вместо внутреннего).

Поскольку LTO вмещает литий, он переходит из первоначальной фазы (Li4Ti5O12) в конечную фазу (Li7Ti5O12), у которой плохая проводимость лития. Таким образом, ученые были озадачены тем, как LTO может быть быстро заряжающимся электродом.

Чтобы примирить этот кажущийся парадокс, необходимо знать, как ионы лития диффундируют в промежуточных структурах LTO (те, в которых концентрация лития находится между Li4Ti5O12 и Li7Ti5O12), а не статическую картину, полученную исключительно из начальной и конечной фаз. Однако выполнение такой характеристики является нетривиальной задачей. Ионы лития являются легкими, что делает их недоступными для традиционных методов зондирования на основе электронов или рентгеновских лучей, особенно когда ионы быстро перемешиваются в активных материалах, таких как LTO наночастицы в работающем электроде батареи.

В этом исследовании ученым удалось отследить миграцию ионов лития в наночастицах LTO в режиме реального времени, создав электрохимический элемент для работы внутри пропускающего электронного микроскопа ( TEM). Этот электрохимический элемент позволил команде проводить электронную спектроскопию потерь энергии (EELS) во время заряда и разряда батареи.

В EELS измеряется изменение энергии электронов после их взаимодействия с образцом с целью выявления информации о локальных химических состояниях образца. Помимо высокой чувствительности к ионам лития, EELS, при проведении внутри ТЕМ, обеспечивает высокое разрешение как в пространстве, так и во времени, необходимое для захвата переноса ионов в наночастицах.

Полученные спектры EELS содержали информацию о занятости и локальной среде лития в различных состояниях LTO по мере прогрессирования заряда и разряда.

Для расшифровки этой информации ученые из группы вычислительных и экспериментальных исследований в области новых материалов (CEDER) в Беркли и Центра функциональных наноматериалов (ЦФН) в Брукхэвене имитировали спектры. На основе этих имитаций они определили расположение атомов из числа тысяч возможностей. Для определения влияния локальной структуры на транспорт ионов группа CEDER рассчитала энергетические барьеры миграции лития-иона в LTO, используя методы, основанные на квантовой механике.

Анализ команды показал, что LTO имеет метастабильные промежуточные конфигурации, в которых атомы локально не находятся в своем обычном расположении. Эти локальные «полиэдрические» искажения снижают энергетические барьеры, обеспечивая путь, по которому ионы лития могут быстро проходить.

---

Фильм об ионах лития, быстро движущихся по «легким путям» в промежуточных конфигурациях LTO. Представьте себе решетку LTO как полосу препятствий для гоночных автомобилей, по которой должны передвигаться ионы лития. В своей первоначальной фазе (Li4Ti5O12) и конечной фазе, в которую она превращается для размещения ионов лития (Li7Ti5O12), LTO имеет атомные конфигурации, в которых множество препятствий находится на пути. Таким образом, ионы лития должны медленно проходить полосу препятствий. Но в промежуточных конфигурациях LTO (таких как Li5+xTi5O12, показанных в фильме) локальные искажения в расположении атомов, окружающих литий, происходят вдоль границы этих двух фаз. Эти искажения слегка сглаживают препятствия, что приводит к «быстрой полосе», по которой ионы лития ускоряются.

Далее ученые изучат ограничения LTO, такие как производство тепла и потери мощности, связанные с цикличностью с высокой скоростью, для реальных применений. Изучая, как LTO ведет себя после многократного поглощения и высвобождения лития с разной скоростью цикличности, они надеются найти решение этих проблем. Эти знания послужат основой для разработки практически жизнеспособных электродных материалов для быстрозаряжающихся батарей.

Ученые провели экспериментальную работу с использованием оборудования TEM в подразделении CMPMS в Брукхэвене, а также теоретическую работу с использованием вычислительных ресурсов Брукхэвенского центра научных данных и вычислений (часть инициативы «Вычислительная наука»). Как ЦФН, так и НСЛС-II являются Офисом Научного Пользователя при Министерстве Науки. Исследования проводились при поддержке программы «Лабораторные исследования и разработки» в Брукхейвене, Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE), Управления по автомобильным технологиям (VTO) в рамках программы «Исследования материалов для усовершенствованных батарей», Управления по фундаментальным энергетическим наукам и EERE VTO при Министерстве энергетики и Национального научного фонда.

RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...