Когда ионы лития входят и выходят из электрода батареи во время зарядки и разрядки, крошечный кусочек кислорода просачивается наружу, и напряжение батареи' мера того, сколько энергии она поставляет, исчезает столь же крошечной долей. Потери со временем увеличиваются и в конечном итоге могут истощить емкость накопителя энергии' на 10-15%.
Теперь исследователи измерили этот сверхмедленный процесс с беспрецедентной детализацией, показав, как дыры или вакансии, оставшиеся от вылетающих атомов кислорода, изменяют структуру и химию электрода' и постепенно уменьшают количество энергии, которое он может хранить.
Результаты противоречат некоторым предположениям ученых об этом процессе и могут предложить новые способы создания электродов, чтобы предотвратить его.
Исследовательская группа из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики&# 39 и Стэнфордского университета рассказала о своей сегодняшней работе в Nature Energy.
& quot; Мы смогли измерить очень крошечную степень утечки кислорода, очень медленно, за сотни циклов," сказал Питер Черника, аспирант Стэнфордского университета, который работал над экспериментами с доцентом Уиллом Чуэ." Тот факт, что он' такой медленный, также затрудняет обнаружение."
Кресло-качалка двустороннее
Литий-ионные батареи работают как кресло-качалка, перемещая ионы лития вперед и назад между двумя электродами, которые временно сохраняют заряд. В идеале эти ионы - единственное, что входит и выходит из миллиардов наночастиц, составляющих каждый электрод. Но исследователям уже давно известно, что атомы кислорода выходят из частиц при движении лития взад и вперед. Детали было трудно определить, потому что сигналы от этих утечек слишком малы для непосредственного измерения.
& quot; Общая сумма утечки кислорода, более 500 циклов зарядки и разрядки батареи, составляет 6%," - сказала Черница." Это' не такое уж маленькое число, но если вы попытаетесь измерить количество кислорода, которое выходит во время каждого цикла, то' это примерно одна сотая от процент."
В этом исследовании исследователи измерили утечку косвенно, посмотрев, как потеря кислорода изменяет химический состав и структуру частиц. Они отслеживали процесс на нескольких масштабах - от мельчайших наночастиц до сгустков наночастиц и до полной толщины электрода.
Поскольку атомам кислорода очень трудно перемещаться в твердых материалах при температурах, при которых работают батареи, общепринятое мнение заключалось в том, что утечки кислорода происходят только с поверхности наночастиц, сказал Чуэ, хотя это были обсуждены.
Чтобы ближе познакомиться с тем, что происходит' группа исследователей проверяла аккумуляторы на разное время, разбирала их и разрезала электродные наночастицы для детального изучения в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли' s Расширенный источник света. Там специализированный рентгеновский микроскоп сканировал образцы, создавая изображения с высоким разрешением и исследуя химический состав каждого крошечного пятна. Эта информация была объединена с вычислительной техникой, называемой птихографией, для выявления деталей наномасштаба, измеряемых в миллиардных долях метра.
Тем временем, в Стэнфордском источнике синхротронного света SLAC&# 39, команда провела рентгеновское излучение через все электроды, чтобы подтвердить, что то, что они видели на наномасштабном уровне, было правдой и в гораздо большем масштабе.
Взрыв, затем струйка
Сравнивая экспериментальные результаты с компьютерными моделями того, как может происходить потеря кислорода, команда пришла к выводу, что первоначальный выброс кислорода вырывается с поверхности частиц, за которым следует очень медленная струйка изнутри. Там, где наночастицы сливались вместе, образуя более крупные сгустки, те, которые располагались рядом с центром сгустка, теряли меньше кислорода, чем те, которые находились у поверхности.
Другой важный вопрос, сказал Чуэ, заключается в том, как потеря атомов кислорода влияет на оставленный ими материал." Это' на самом деле большая загадка," он сказал.": Представьте, что атомы в наночастицах похожи на плотно упакованные сферы. Если вы продолжите извлекать атомы кислорода, все это может рухнуть и уплотниться, потому что структура любит оставаться плотно упакованной."
Поскольку этот аспект структуры электрода' невозможно было непосредственно отобразить, ученые снова сравнили другие типы экспериментальных наблюдений с компьютерными моделями различных сценариев потери кислорода. Результаты показали, что вакансии действительно сохраняются - материал не разрушается и не уплотняется - и предполагают, как они способствуют постепенному снижению заряда батареи'
& quot: Когда кислород уходит, окружающие атомы марганца, никеля и кобальта мигрируют. Все атомы танцуют из своих идеальных положений," Сказал Чуэ.": Эта перегруппировка ионов металлов, наряду с химическими изменениями, вызванными отсутствием кислорода, со временем снижает напряжение и эффективность батареи. Люди знали аспекты этого явления давно, но механизм был неясен."
Теперь, сказал он," у нас есть это научное, восходящее понимание" этого важного источника деградации батареи, что может привести к новым способам уменьшения потери кислорода и его разрушительного воздействия.
