Учените зареждат специално проектирана литиево-йонна батерия във вторичен йонен масспектрометър, който им позволява да видят образуването на твърдо-електролитната интерфаза на молекулярно ниво, докато батерията работи. Кредит: Андреа Стар/PNNL
Първите часове от живота на литиево-йонната батерия до голяма степен определят колко добре ще работи. В тези моменти набор от молекули се самосглобява в структура вътре в батерията, която ще влияе на батерията за години напред.
Този компонент, известен като интерфаза на твърд електролит или SEI, има решаващата задача да блокира някои частици, като същевременно позволява на други да преминат, като избивач на кръчма, който отхвърля нежеланите, като същевременно допуска блясъка. Структурата е енигма за учените, които я изучават от десетилетия. Изследователите са използвали множество техники, за да научат повече, но никога – досега – не са били свидетели на създаването му на молекулярно ниво.
Познаването на повече за SEI е решаваща стъпка по пътя към създаването на по-енергични, по-дълготрайни и по-безопасни литиево-йонни батерии.
Работата, публикувана на 27 януари в Nature Nanotechnology, е извършена от международен екип от учени, ръководени от изследователи от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория на Министерството на енергетиката на САЩ и Изследователската лаборатория на армията на САЩ. Кореспондентските автори включват Zihua Zhu, Chongmin Wang и Zhijie Xu от PNNL и Kang Xu от изследователската лаборатория на армията на САЩ.
Защо литиево-йонните батерии изобщо работят: SEI
Интерфазата твърдо-електролит е много тънък слой от материал, който не съществува, когато батерията е създадена за първи път. Само когато батерията се зареди за първи път, молекулите се агрегират и електрохимично реагират, за да образуват структурата, която действа като портал, позволяващ на литиевите йони да преминават напред-назад между анода и катода. Най-важното е, че SEI принуждава електроните да се заобикалят, което поддържа батерията работеща и прави възможно съхранението на енергия.
Именно поради SEI изобщо имаме литиево-йонни батерии за захранване на нашите мобилни телефони, лаптопи и електрически превозни средства.
Но учените трябва да знаят повече за тази структура на портала. Какви фактори разделят блясъка от ръба в литиево-йонна батерия? Какви химикали трябва да бъдат включени в електролита и в какви концентрации, за да могат молекулите да се оформят в най-полезните SEI структури, така че да не поглъщат непрекъснато молекули от електролита, вредийки на производителността на батерията?
Учените работят с различни съставки, като прогнозират как те ще се комбинират, за да създадат най-добрата структура. Но без повече познания за това как се създава междинната фаза твърдо-електролит, учените са като готвачи, които жонглират със съставки, работещи с готварски книги, които са само частично написани.
Zihua Zhu и Chongmin Wang са част от екипа, който научи важна нова информация за създаването на ключов компонент на литиево-йонните батерии. Кредит: Андреа Стар/PNNL
Проучване на литиево-йонни батерии с нова технология
За да помогне на учените да разберат по-добре SEI, екипът използва патентованата технология на PNNL, за да анализира структурата, докато е била създадена. Учените са използвали енергиен йонен лъч, за да тунелират в току-що образуващ се SEI в работеща батерия, като изпращат част от материала във въздуха и го улавят за анализ, като разчитат на повърхностното напрежение, за да помогнат за задържането натечен електролит. След това екипът анализира SEI компонентите с помощта на масспектрометър.
Патентованият подход, известен като in situ течна вторична йонна масова спектрометрия или течна SIMS, позволи на екипа да получи безпрецедентен поглед върху SEI, докато се формира, и да избегне проблемите, представени от работеща литиево-йонна батерия. Технологията е създадена от екип, ръководен от Zhu, надграждайки предишната работа на SIMS от колегата на PNNL Xiao-Ying Yu.
„Нашата технология ни дава солидно научно разбиране за молекулярната активност в тази сложна структура“, каза Джу. „Констатациите биха могли потенциално да помогнат на други да приспособят химията на електролита и електродите, за да направят по-добри батерии.“
U.S. Army и изследователите на PNNL си сътрудничат
Екипът на PNNL се свърза с Kang Xu, научен сътрудник в изследователската лаборатория на армията на САЩ и експерт по електролит и SEI, и заедно се заеха с въпроса.
Учените потвърдиха това, което изследователите подозираха – че SEI е съставен от два слоя. Но екипът отиде много по-далеч, уточнявайки точния химичен състав на всеки слой и определяйки химическите стъпки, които се случват в батерията, за да се създаде структурата.
Екипът установи, че един слой от структурата, до анода, е тънък, но плътен; това е слоят, който отблъсква електроните, но позволява преминаването на литиевите йони. Външният слой, точно до електролита, е по-дебел и медиира взаимодействията между течността и останалата част от SEI. Вътрешният слой е малко по-твърд, а външният по-късно е по-течен, малко като разликата между недостатъчно сварени и преварени овесени ядки.
Ролята на литиевия флуорид
Един резултат от изследването е по-доброто разбиране на ролята на литиевия флуорид в използвания електролитлитиево-йонни батерии. Няколко изследователи, включително Kang Xu, показаха, че батериите с SEI, по-богати на литиев флуорид, работят по-добре. Екипът показа как литиевият флуорид става част от вътрешния слой на SEI и откритията предлагат улики за това как да се включи повече флуор вструктура.
„С тази техника научавате не само какви молекули присъстват, но и как са структурирани“, казва Уанг. „Това е красотата на тази технология.“
