Команда ученых под руководством Департамента энергетики США (МЭ США), Брукхейвенской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Лоренса Беркли захватил в реальном времени, как ионы лития двигаться в литий-титанат (ЛТО), для быстрой зарядки батареи материал электрода изготовлен из лития, титана и кислорода. Они обнаружили, что искажены механизмы лития и окружающими атомами в ЛТО «промежуточные звенья» (структуры ДСН с концентрацией лития в период между его начальным и конечным состояниями) предоставляют «экспресс-касса» для транспорта ионов лития. Их открытия, сообщили в февраля. 28 проблемы науки, может дать ответ на разработку усовершенствованных материалов аккумулятор для быстрой зарядки электрических автомобилей и портативных потребительской электроники, таких как сотовые телефоны и ноутбуки.
«Считаю, что это займет всего несколько минут, чтобы заправить топливный бак автомобиля, но несколько часов, чтобы зарядить батареи электромобиля», — говорит Со-автор Фэн Ван, материалы ученого в Брукхейвенской лаборатории междисциплинарных наук. «Выяснение того, как сделать ионы лития двигаться быстрее в электродных материалов является крупной сделкой, так как он может помочь нам в построении лучшего батарей со значительно уменьшенным временем зарядки.»
Литий-ионные аккумуляторы работают путем перестановки ионов лития между положительным и отрицательным электродом (катодом и анодом) путем химической средой, называемой электролитом. Графит широко используется в качестве анода в государство-оф-искусство литий-ионных аккумуляторов, но для быстрой зарядки приложений, ЛТО является привлекательной альтернативой. ЛТО можете быстро разместить ионы лития, не страдая от металлизации лития (осаждение лития на поверхности электрода, а не внутренне).
Как ЛТО вмещает литий, он переходит от своей первоначальной фазе (Li4Ti5O12) к концу фазы (Li7Ti5O12), оба из которых имеют плохую проводимость лития. Таким образом, ученые были озадачены о том, как ЛТО может быть быстрой зарядки электрода. Согласование этого кажущегося парадокса требует знания о том, как ионы лития внедряются в промежуточных структур в / п (те с концентрацией лития между Li4Ti5O12 и Li7Ti5O12), а не статическую картинку, получаемый исключительно от начальной и конечной фаз. Но выполнение таких характеристик является нетривиальной задачей. Ионы лития свет, делая их недостижимыми для традиционной электронов или рентгеновского излучения на основе методов зондирования, особенно когда ионы быстро тасу в активные материалы, такие как ЛТО наночастиц в рабочем электродов аккумулятора.
В этом исследовании, ученые смогли отслеживать миграции ионов лития в ЛТО наночастиц в режиме реального времени при проектировании электрохимической ячейки для работы в просвечивающем электронном микроскопе (Пэм). Эта электрохимическая ячейка включена в команду для проведения электронных энергии-потери спектроскопии (угрей) во время зарядки и разрядки. В угри, изменение энергии электронов после взаимодействия с образцом измеряется раскрыть информацию о местных химического состава образца. Помимо того, что очень чувствительны к ионам лития, угрей, когда они осуществляются внутри Теа, обеспечивает высокое разрешение в пространстве и времени, необходимого для захвата транспорта ионов в наночастицах.
«Коллектив решал самые широкие задачи в развитии электрохимически функциональных клеток, поэтому клеточный цикл как обычный аккумулятор, а сделать это достаточно маленький, чтобы поместиться в микроскопической пространство Теа столбце,»-сказал соавтор исследования и старший научный сотрудник Yimei Чжу, который ведет электронная микроскопия и наноструктуры группа в Брукхейвене по физике конденсированных сред и материаловедения (CMPMS) дивизии. «Для того чтобы измерить угрей сигналы от лития, очень тонких образцов необходимо, сверх того, что обычно требуется для прозрачности зондирующих электронов в Темс.»
В результате угри спектры содержали информацию о вместимости и местных условий лития в различных штатах ЛТО, как зарядить и разрядить прогрессировала. Чтобы расшифровать информацию, ученые из вычислительного и экспериментального проектирования новых научно-исследовательских материалов (кедра группа) в Беркли и Центра функциональных наноматериалов (CFN ПО) в Брукхейвенской смоделированные спектры. На основе этих расчетов они определяют порядок атомов из тысяч возможностей. Для определения влияния локальной структуры на ионный транспорт, кедра группы рассчитаны энергетические барьеры литий-ионной миграции в ЛТО, с использованием методов, основанных на квантовой механике.
«Численное моделирование было очень важно понимать, как литий может двигаться так быстро, через этот материал,» говорит Со-автор и кедра руководитель группы Гербранда кедра, ректора профессор кафедры материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли и старший факультета ученый в материалах отдела науки в лаборатории Беркли. «В качестве материала занимает литий, атомный механизм становится очень сложным и трудным для осмысления с простой транспортных идеи. Расчеты смогли подтвердить, что скопление ионов лития вместе делает их весьма мобильными».
«Важным аспектом этой работы является сочетание эксперимента и моделирования, а моделирование может помочь нам в интерпретации экспериментальных данных и развитие механистического понимания», — сказал соавтор … Дею Лу, физик в теории CFN и группы расчетов. «Знания в области вычислительной спектроскопии мы разрабатываем глядя на протяжении многих лет играет важную роль в этом совместном проекте пользователю в определении основных спектральных отпечатков угри и распутывая их физического происхождения в атомной структуры и электронных свойств».
Анализ коллектива показал, что ЛТО имеет метастабильных промежуточных конфигураций, в которых атомы расположены локально не в своей привычной расстановке. Эти местные «многогранных» перекосы снижают энергетические барьеры, обеспечивая проход, через который ионы лития могут быстро путешествовать.
«В отличие от ГАЗ свободно течь в топливном баке вашего автомобиля, который является по существу пустой контейнер, должен лития «бороться» в ЛТО, который не является полностью открытая структура», — пояснил Ван. «Для получения лития, ЛТО переходит из одной структуры в другую. Как правило, такие двухфазного преобразования требует времени, ограничивая быстрой зарядки возможности. Однако, в этом случае, лития размещается более быстро, чем ожидаемый, потому что локальные искажения атомной структуры ЛТО создать более открытое пространство, через которое лития может легко пройти. Эти проводящие пути произошло за обильным границ, существующих между двумя фазами».
Далее ученые будут изучать ограничения ЛТО-таких как производство тепла и потери мощности, связанные с ездой на велосипеде по высоким ставкам-для реальных приложений. Рассмотрим, как ведет себя ЛТО после многократного поглощения и выпускать лития с разной скоростью, езда на велосипеде, они надеются найти способы решения этих проблем. Эти знания послужат основой для разработки практически жизнеспособным электродных материалов для быстрой зарядки аккумуляторов.
«Кросс-институциональных усилий, сочетающий в месте спектроскопия, электрохимия, вычислений и теории в данной работе в качестве модели для проведения дальнейших исследований», — сказал Чжу.
«Мы с нетерпением ждем изучения транспортного поведения в быстрой зарядки электродов более внимательно сторона нашей недавно разработанной электрохимической ячейки на мощные электронные и рентгеновские микроскопы в Брукхейвене уже CFN и Национального источника синхротронного излучения в области II (NSLS-II), то» сказал Ван. «Благодаря этим государство-оф-искусство инструменты, мы сможем получить полное представление о литий транспортом в местном и объемных конструкций образцов во время езды на велосипеде в реальном времени и в реальных условиях реакция».
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!