Когато литиевите йони се вливат и излизат от електрода на батерията по време на зареждане и разреждане, малко малко кислород изтича и напрежението на батерията' мярка за това колко енергия доставя - избледнява също толкова малко. Загубите се увеличават с течение на времето и в крайна сметка могат да променят капацитета на акумулатора' с 10-15%.
Сега изследователите са измерили този свръхбавен процес с безпрецедентни подробности, показвайки как дупките или свободните места, оставени при избягване на кислородните атоми, променят структурата и химията на електрода' и постепенно намаляват колко енергия може да съхранява.
Резултатите противоречат на някои предположения, направени от учените за този процес, и могат да предложат нови начини за инженерни електроди, които да го предотвратят.
Изследователският екип от Националната лаборатория за ускорители SLAC на Министерството на енергетиката&# 39 и Станфордския университет описа днес работата си в Nature Energy.
& quot; Успяхме да измерим много малка степен на изтичане на кислород, все толкова бавно, в продължение на стотици цикли," каза Питър Черника, докторант от Станфорд, който работи върху експериментите с доцент Уил Чуе." Фактът, че&# 39 е толкова бавен, също затруднява откриването."
Двупосочен люлеещ се стол
Литиево-йонните батерии работят като люлеещ се стол, движейки литиевите йони напред-назад между два електрода, които временно съхраняват заряда. В идеалния случай тези йони са единствените неща, които се движат и излизат от милиардите наночастици, които изграждат всеки електрод. Но от известно време изследователите знаят, че кислородните атоми изтичат от частиците, докато литийът се движи напред-назад. Детайлите са трудни за определяне, тъй като сигналите от тези течове са твърде малки, за да се измерват директно.
& quot; Общото количество изтичане на кислород, над 500 цикъла на зареждане и разреждане на батерията, е 6%," Каза Черница." Това' не е толкова малко число, но ако се опитате да измервате количеството кислород, което излиза по време на всеки цикъл, това' е около една стотна от процент."
В това проучване изследователите измерват изтичането индиректно вместо това, като разглеждат как загубата на кислород променя химията и структурата на частиците. Те проследяват процеса в няколко мащаба - от най-малките наночастици до натрупвания на наночастици до пълната дебелина на електрода.
Тъй като' е толкова трудно за кислородните атоми да се движат в твърди материали при температурите, където работят батериите, общоприетото мнение е, че изтичането на кислород идва само от повърхностите на наночастиците, каза Чуе, въпреки че е за обсъждане.
За да разгледаме по-отблизо какво се случва' изследователският екип циклира батерии за различно време, разглобява ги и нарязва електродните наночастици за подробно изследване в Националната лаборатория на Лорънс Бъркли' s Усъвършенстван източник на светлина. Там специализиран рентгенов микроскоп сканира върху пробите, правейки изображения с висока разделителна способност и изследвайки химичния състав на всяко малко петно. Тази информация беше комбинирана с изчислителна техника, наречена ptychography, за да се разкрият наномащабни детайли, измерени в милиардни части от метър.
Междувременно в източника на светлина на Stanford Synchrotron Light на SLAC' екипът направи рентгенови лъчи през цели електроди, за да потвърди, че това, което виждат на ниво наномащаб, е вярно и в много по-голям мащаб.
Взрив, после струйка
Сравнявайки експерименталните резултати с компютърни модели за това как може да настъпи загуба на кислород, екипът стигна до заключението, че първоначален взрив на кислород изтича от повърхностите на частиците, последван от много бавен поток от вътрешността. Когато наночастиците се слепват заедно, за да образуват по-големи бучки, тези в близост до центъра на бучката губят по-малко кислород от тези близо до повърхността.
Друг важен въпрос, каза Чуе, е как загубата на кислородни атоми влияе върху материала, който са оставили след себе си." Това' всъщност е голяма загадка," той каза." Представете си, че атомите в наночастиците са като тясно опаковани сфери. Ако продължите да изваждате кислородните атоми, цялото нещо може да се срине и да се уплътни, защото структурата обича да остане плътно опакована."
Тъй като този аспект на структурата на електрода&# 39 не може да бъде директно изобразен, учените отново сравняват други видове експериментални наблюдения срещу компютърни модели на различни сценарии на загуба на кислород. Резултатите показват, че свободните работни места продължават - материалът не се срива и не се уплътнява - и предлагат как те допринасят за постепенното намаляване на батерията'
& quot; Когато кислородът напусне, околните атоми на манган, никел и кобалт мигрират. Всички атоми танцуват от идеалните си позиции," Каза Чуе." Това пренареждане на метални йони, заедно с химичните промени, причинени от липсващия кислород, влошава напрежението и ефективността на батерията с течение на времето. Хората познават аспекти на това явление отдавна, но механизмът не е ясен."
Сега, каза той," ние имаме това научно разбиране&отдолу нагоре; на този важен източник на разграждане на батерията, което може да доведе до нови начини за смекчаване на загубата на кислород и неговите вредни ефекти.
