Для лучших литий-ионных батарей

1. Сила лития
2. Записи в режиме реального времени

Перевод: Каролина Смех.

Путем сканирования с помощью нейтронов, что происходит с электродами в литий-ионной батарее.

Литий-ионные аккумуляторы питают наши мобильные телефоны и ноутбуки. Они также начинают использоваться для питания автомобилей, в то время как развитию электромобилей в настоящее время препятствует медленный прогресс в области аккумуляторных технологий. Чтобы поддержать этот прогресс, вместе с моими коллегами из Института Лауэ-Ланжевена (ILL) w1 Недавно мы создали такую ​​батарею в большем масштабе, чтобы точно исследовать, что происходит в ее середине во время работы. Созданный нами в ходе исследования фильм помог ученым ответить на вопрос: как можно улучшить электроды в такой батарее?

Сила лития

Литий широко известен как чрезвычайно реактивный металл из первой группы периодической таблицы элементов. Будучи одним из трех элементов, которые возникли во время Большого взрыва, литий не только питает ваш ноутбук - это также топливо, которое горит внутри звезд.

На Земле литий получают из огромных подземных озер, содержащих соли этого элемента. Ежегодно таким способом получают около 25 000 тонн металлического лития. Большая часть этого сырья используется для производства легких ионно-литиевых батарей.

Как и все аналогичные устройства, литий-ионные аккумуляторы накапливают электричество, используя химический потенциал. В отличие от обычных батарей, литий-ионные аккумуляторы можно заряжать, пропуская электрический ток через продукты реакции, возникающие при разряде батареи. Когда батарея разрядится, вы можете подключить ее к зарядному устройству, где будет использоваться электричество, чтобы обратить вспять химические реакции, которые произошли во время использования батареи.

Как и следовало ожидать, в литий-ионных аккумуляторах электрические заряды переносят положительно заряженные ионы лития. Как и в случае с любой батареей или аккумулятором, литий-ионная батарея содержит два электрода: положительный, изготовленный из материалов, содержащих соединения лития (обычно с оксидом одного из переходных металлов, например марганца), отрицательный, обычно углерод. Два электрода соединены посредством электролита, который позволяет носителям электрического заряда (ионам лития) перемещаться между электродами. Примеры полуреакций, происходящих в такой системе:

LiMn2O4 ⇌ Li1- x Mn2O4 + x Li + + x e-

x Li + + x e- + x C6 ⇌ x LiC6

Когда батарея разряжается (т.е. когда она подает ток), ионы лития перемещаются от углеродного электрода обратно к электроду, содержащему ионы лития. Когда батарея заряжается, движение происходит в противоположном направлении. К сожалению, такой цикл не может повторяться бесконечно. Со временем миграция ионов лития к электродам и от них приводит к тому, что материал, из которого они изготовлены, попеременно сжимается и набухает и, следовательно, разлагается. Как и ваши любимые вещи, которые растягиваются и изнашиваются в результате многократного ношения и стирки. Как и через некоторое время, ваши любимые джинсы уже не так хороши для вас, как раньше, и ионы лития больше не вписываются в структуру материала электродов, и батарея теряет свою емкость.

Следовательно, для улучшения характеристик батареи материалы, из которых изготовлены электроды, должны быть улучшены. Чтобы достичь этого, важно понимать, как эти материалы изменяются во время чередующихся циклов зарядки-разрядки. Именно здесь вводятся ILL и нейтроны, что позволяет визуализировать изменения, происходящие в кристаллической структуре электродов. Дифракция нейтронов является отличным инструментом для визуализации того, как ионы лития движутся в структуре электрода, потому что нейтроны легко рассеиваются на легких элементах, таких как горит.

Записи в режиме реального времени

Изображение предоставлено
автор

Вот почему мы решили разработать инновационный эксперимент, чтобы проверить, что происходит внутри аккумулятора во время его работы ( Bianchini M et al 2013; 2014 ). Нашей целью была запись высококачественного фильма, показывающего процессы, происходящие в режиме реального времени. Для создания такой пленки мы использовали технику визуализации с помощью нейтронографии, при которой нейтроны рассеиваются материалом электродов в то время, когда они подвергаются процессам загрузки и разгрузки. Мы «склеили» такие созданные изображения в один фильм, аналогично анимации или кинографии. А именно, когда изображения отображаются очень быстро одно за другим, вы можете видеть, что именно происходит внутри электродов.

В начале мы протестировали и оптимизировали работу одноэлементной батареи, а также методологию и качество формирования дифракционного изображения с использованием электродов, изготовленных из относительно известных и понятных материалов, таких как литий-железо-фосфат (LiFePO4). LiFePO4 широко доступен в виде безопасных, недорогих электродов длительного действия. После получения удовлетворительных результатов мы исследовали более современные электродные материалы на основе оксида лития-марганца (LiMn2O4). LiMn2O4 является очень интересным электродным материалом, который характеризуется высокой емкостью и высокой скоростью зарядки, в то время как емкость этого материала быстро уменьшается с использованием, что препятствует его использованию в коммерческих устройствах. Управляя химической формулой этого материала, мы обнаружили, что эту проблему можно решить, добавив в его состав больше лития и меньше марганца.

На основании экспериментов по химической формуле LiMn2O4 были получены три других соединения общей формулы Li1 + x Mn2-xO4, где x - количество дополнительных атомов лития. Значение х в трех полученных нами соединениях составило 0, 0,05 и 0,10. Глядя на изменения, происходящие в материалах в процессе загрузки, мы обнаружили, что дополнительные атомы лития уменьшают полезную емкость батареи, но вместо этого устраняют проблему снижения ее емкости. Другими словами, аккумулятор накапливает меньше заряда, но эффективно работает в течение длительного времени.

Мы пришли к таким выводам, потому что заметили, что:

1. Изменения в объеме электродов, вызванные потерей ионов лития, ниже, если содержание лития в материале больше, и механизм, посредством которого происходит процесс потери ионов, становится другим.
2. Когда количество ионов лития увеличивается, количество ионов Mn3 + соответственно уменьшается, и мы знаем, что именно ионы Mn3 ответственны за более короткий срок службы батарей.

В результате материал, содержащий наибольшее количество ионов, лучше всего работает в батарее.

Мы не только показали, что нейтронография может помочь понять поведение литий-ионных и литий-ионных батарей, но мы также нашли пример того, как эти батареи могут быть улучшены. Полученные нами результаты исследований побуждают к дальнейшей работе над аналогичными материалами со слегка модифицированным составом, например, содержащими дополнительные ионы никеля (LiMn1.6Ni0.4O4), которые могут работать при более высоком напряжении и, следовательно, при большей энергии. Возможно, однажды, благодаря нашей работе, электромобили будут ездить быстрее и дольше.

Похожие