​Спонтанное образование полых структур в кристаллах анода сплава может улучшить стабильность батареи

-
12:05
62
​Спонтанное образование полых структур в кристаллах анода сплава может улучшить стабильность батареи

Поток ионов лития в аноды аккумуляторных батарей из сплава и из него, долгое время был ограничивающим фактором в том, сколько энергии могут удерживать аккумуляторы, используя обычные материалы. Слишком большой поток ионов вызывает разбухание анодных материалов, а затем их усадку во время циклов зарядки-разрядки, что приводит к механической деградации, которая сокращает срок службы батареи. Для решения этой проблемы исследователи разработали полые наночастицы «yolk-shell (желтковая оболочка)», которые приспосабливаются к изменениям объема, вызванным потоком ионов, но их изготовление было сложным и дорогостоящим.

Сейчас исследователи компании Georgia Tech вместе с коллегами из ETH Zürich и Oak Ridge National Laboratory обнаружили, что достаточно маленькие сурьмяные нанокристаллы спонтанно образуют равномерные пустоты при удалении лития, которые затем реверсивно заполняются и освобождаются во время цикличности, позволяя протекать большему количеству ионов без повреждения анодов. Статья об их работе опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Исследователи сделали свое открытие с помощью электронного микроскопа высокого разрешения, который позволил им непосредственно визуализировать реакции батареи по мере их возникновения на наноуровне.

Команда также использовала моделирование для создания теоретической основы для понимания того, почему наночастицы спонтанно опускаются, а не сжимаются и выталкивают литий из батареи.

Способность образовывать и обратимо заполнять полые частицы во время цикла работы батареи возникает только в покрытых окисью нанокристаллах сурьмы диаметром менее 30 нанометров. Группа исследователей обнаружила, что поведение происходит от упругого нативного оксидного слоя, который допускает первоначальное расширение во время процесса лифтерирования — поток ионов в анод — но механически предотвращает усадку, так как сурьма образует пустоты во время удаления ионов, процесс, известный под названием делифтерирование.

Это было несколько удивительно, так как ранее работа над смежными материалами велась с более крупными частицами, которые расширяются и усаживаются вместо того, чтобы образовывать пустотные структуры.

Сурьма относительно дорогая и в настоящее время не используется в коммерческих аккумуляторных электродах. Но МакДауэлл считает, что самопроизвольное образование пустот может произойти и в менее дорогостоящих родственных материалах, таких как олово. Следующие шаги будут включать в себя тестирование других материалов и картирование пути коммерческого масштабирования.

Хотя они могут быть дорогостоящими, самопроникающие сурьмяные нанокристаллы обладают еще одним интересным свойством: они также могут использоваться в натриево-ионных и калиево-ионных батареях, появляющихся системах, для которых необходимо провести гораздо больше исследований.

Эта работа была выполнена в Центре характеризации технологических материалов Грузии и в Институте электроники и нанотехнологий, входящем в Национальную инфраструктуру, координируемую в области нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом (грант ECCS-1542174). Поддержку также оказала программа аспирантских исследований Департамента энергетики для исследований, проводимых в Oak Ridge National Laboratory.

Часть этих исследований была проведена в Центре наук о нанофазных материалах, который является офисом DOE Science User Facility. Поддержка была также предоставлена стипендией Слоуна в области химических исследований Фонда Альфреда П. Слоуна и Швейцарским национальным научным фондом через стипендию Ambizione (№ 161249).

География:
  • Германия
  • США
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...