Неожиданное свойство нано-кристаллы сурьмы — спонтанное образование пустотелых конструкций — может помочь дать следующее поколение литий-ионных батарей высокой плотностью энергии, не снижая срок службы батареи. В обратимо долбит структур может привести литий-ионных батарей для того чтобы держать больше энергии и, следовательно, обеспечивает больше силы между зарядами.
Поток ионов лития в анодах сплав батарея уже давно является ограничивающим фактором в том, сколько энергии батареи можно проводить с использованием обычных материалов. Слишком много ионного потока приводит анодных материалов для набухания, а затем сокращаться во циклов заряд-разряд, в результате механической деструкции, что сокращает срок службы батареи. Для решения этой проблемы, исследователи ранее разработали дупло «желток-Шелл» наночастицы, которые учитывают изменение объема, вызванное ионным потоком, но их изготовление было сложным и дорогостоящим.
Теперь, команда исследователей обнаружила, что частицы в тысячи раз меньше ширины человеческого волоса спонтанно форме полых конструкций во время цикла заряд-разряд без изменения размера, что позволяет более ионного потока без повреждения анодов. Исследования сообщили 1 июня в журнале Nature нанотехнологии.
«Намеренно технических полые наноматериалы было сделано для некоторое время теперь, и это является перспективным подходом для улучшения жизни и стабильности батарей с высокой плотностью энергии», — сказал Мэтью Макдауэлл, доцент Джордж Вудрафф факультета инженерной механики и школы материаловедения и инженерии в технологическом институте Джорджии. «Проблема была в том, что напрямую синтезировать эти полые наноструктуры в больших масштабах, необходимых для коммерческих приложений является сложным и дорогим. Наше открытие может предложить более простой, оптимизированный процесс, Что может привести к более высокой производительности в пути, который похож на умышленно разработаны пустотелых конструкций».
Исследователи сделали свое открытие, используя высокое разрешение электронного микроскопа, что позволило им напрямую визуализировать реакции батареи, как они происходят на наноуровне. «Это сложный тип эксперимента, но если вы терпеливы и делать эксперименты справа, вы можете узнать очень важные вещи о том, как материалы ведут себя в батареи,» сказал Макдауэлл.
Команда, в которую вошли исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Национальной лаборатории Оук-Ридж, также используется моделирование, чтобы создать теоретическую основу для понимания того, почему наночастицы самопроизвольно полые-вместо того, чтобы сжиматься … при извлечении лития из батареи.
Способность образовывать и обратимо заполнения полых частиц при циклировании батареи происходит только в покрытой оксидом сурьмы нанокристаллов, которые менее чем приблизительно 30 нанометров в диаметре. Исследователи обнаружили, что поведение возникает из эластичного родной оксидный слой, что позволяет для первоначального расширения в lithiation — поток ионов в анод-но механически предотвращает усадку как сурьма полостей формы при удалении ионов, процесс, известный как delithiation.
Вывод был немного неожиданным, потому что ранее работы на соответствующих материалов были сделаны крупные частицы, которые расширяют и сжимают вместо формирования полых конструкций. «Когда мы впервые наблюдали отличительные долбит поведение, это было очень увлекательно и мы сразу знали, что это может иметь важные последствия для производительности батареи,» сказал Макдауэлл.
Сурьма является относительно дорогим и в настоящее время не используется в коммерческих электродов батареи. Но Макдауэлл считает, самопроизвольное опустошение может также произойти в менее дорогостоящих сопутствующих материалов, таких как олово. Следующие шаги будут включать испытания прочих материалов и картирование пути в коммерческих масштабах.
«Было бы интересно проверить другие материалы, чтобы увидеть, если они преобразовывают в соответствии с аналогичной долбит механизм», — сказал он. «Это может расширить диапазон материалов, доступных для использования в аккумуляторных батареях. Небольшой тест батарей, которые мы готовых показали многообещающие зарядки-разрядки, поэтому хотелось бы оценить материалы в большие батареи.»
Хотя они могут быть дорогостоящим, самостоятельно выдалбливать сурьма нанокристаллы имеют еще одно интересное свойство: они также могут быть использованы в натрий-ионов и калия-ионных аккумуляторов, новых систем, для которых гораздо больше исследований должно быть сделано.
«Эта работа улучшает наше понимание того, как этот тип материала развивается внутри батареи,» сказал Макдауэлл. «Эта информация будет иметь решающее значение для реализации материала или связанные с ним материалы в следующем поколении литий-ионных батарей, которые будут способны хранить больше энергии и быть столь же долговечным, как батарейки у нас есть сегодня.»
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!