По-добри литиево-йонни батерии, възможни с наномащабен молекулярен изглед на самосглобяващата се структура

ТЕМИ:
Батерия, технологии, DOE, електротехника, литиево-йонни, нанотехнологии, Тихоокеанска северозападна национална лаборатория, САЩ. Армейска изследователска лаборатория
От DOE/PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY FEBRUARY 6, 2020

Учените зареждат специално проектирана литиево-йонна батерия във вторичен йон мас спектрометър, който им позволява да видят образуването на твърдо-електролитна интерфаза на молекулно ниво, докато батерията работи. Кредит: Андреа Стар/PNNL

Учените научават повече за първите часове от живота на литиево-йонната батерия

Първите часове от живота на литиево-йонната батерия до голяма степен определят колко добре ще работи тя. В тези моменти набор от молекули се сглобява самостоятелно в структура вътре в батерията, която ще повлияе на батерията за години напред.

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 2020 г. в Nature Nanotechnology, е извършена от международен екип от учени, ръководена от изследователи от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория на Министерството на енергетиката на САЩ и Изследователската лаборатория на американската армия. Съответстващите автори включват Zihua Zhu, Chongmin Wang и Zhijie Xu от PNNL и Kang Xu от изследователската лаборатория на американската армия.

Защо литиево-йонните батерии изобщо работят: SEI

Твърдоелектролитната интерфаза е много тънък слой от материал, който не съществува при първото изграждане на батерията. 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 преминат в отклонение, което поддържа работата на батерията и прави възможно съхранението на енергия.

Това се дължи на SEI, че изобщо имаме литиево-йонни батерии за захранване на нашите мобилни телефони, лаптопи и електрически превозни средства.

Създаването на литиево-йонни батерии, които са по-дълготрайни, по-безопасни и по-енергични, е високо в списъка с приоритети за учените от PNNL. Батериите са повсеместни днес - в електрически автомобили, лаптопи, инструменти и мобилни телефони.

Но учените трябва да знаят повече за тази структура на порталите. Какви фактори отделят блестящите от рифарите 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 структури на SEI, така че да не изсмукват непрекъснато молекули от електролита, което уврежда работата на батерията?

Учените работят с различни съставки, прогнозирайки как те ще се комбинират, за да създадат най -добрата структура. Но без повече знания за това как се създава твърдо-електролитната интерфаза, учените са като готвачи, жонглиращи съставки, работещи с готварски книги, които са само частично написани.

Изследване 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 по време на нейното създаване. Учените използваха енергиен йонен лъч, за да тунелират в току-що образуващата се SEI в работеща батерия, като изпращат част от материала във въздуха и го улавят за анализ, като разчитат на повърхностното напрежение, за да задържат течния електролит. След това екипът анализира компонентите на SEI, използвайки масспектрометър.

Патентованият подход, известен като in situ течна вторична йонна мас-спектрометрия или течна SIMS, позволи на екипа да получи безпрецедентен поглед върху SEI, докато се образува, и да заобиколи проблемите, представени от работеща литиево-йонна батерия. Технологията е създадена от екип, ръководен от Zhu, надграждайки предишната работа по SIMS от колегата от PNNL Xiao-Ying Yu.

„Нашата технология ни дава солидно научно разбиране за молекулярната активност в тази сложна структура“, каза Жу. „Откритията потенциално биха могли да помогнат на другите да приспособят химията на електролита и електродите, за да направят по -добри батерии.“

Изследователите от американската армия и PNNL си сътрудничат

Екипът на PNNL се свърза с Kang Xu, научен сътрудник от изследователската лаборатория на армията на САЩ и експерт по електролита и SEI и заедно решиха въпроса.

Учените потвърдиха това, което подозираха изследователите - че SEI се състои от два слоя. Но екипът отиде много по-далеч, като уточни точния химически състав на всеки слой и определи химическите стъпки, които се случват в батерията, за да се създаде структурата.

Zihua Zhu и Chongmin Wang са част от екипа, който научи изключително важна нова информация за създаването на ключов компонент на литиево-йонните батерии. Кредит: Андреа Стар/PNNL

Екипът установи, че един слой от конструкцията, до анода, е тънък, но плътен; това е слоят, който отблъсква електроните, но позволява преминаването на литиеви 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 недопечена и преварена овесена каша.

Ролята на литиевия флуорид

Един от резултатите от изследването е по-доброто разбиране на ролята на литиевия флуорид в електролита, използван в литиево-йонните батерии. Няколко изследователи, включително Kang Xu, показаха, че батериите със SEI, по -богати на литиев флуорид, се представят по -добре. Екипът показа как литиевият флуорид става част от вътрешния слой на SEI и резултатите предлагат улики за това как да се включи повече флуор в структурата.

„С тази техника научавате не само какви молекули присъстват, но и как те са структурирани“, казва Уанг. „Това е красотата на тази технология“

Илюстрация на течната SIMS технология, която учените използваха, за да научат повече за литиево-йонните батерии. Учените използват енергиен йонен лъч (жълт) за тунелиране през анода (оранжев), който е прикрепен под тънка мембрана от силициев нитрид. Когато лъчът удари интерфейса електрод-електролит, където се образува твърдо-електролитната интерфаза (SEI), неговите молекули стават във въздуха и са достъпни за анализ чрез масспектрометър. Отворът е толкова тесен, че повърхностното напрежение предотвратява разпространението на електролита. Кредит: Илюстрацията е предоставена от Journal of Physical Chemistry Letters, 1 януари 2019 г. Copyright 2019 American Chemical Society.

Справка: „Масспектрометрична характеристика в реално време на твърдата електролитна интерфаза на литиево-йонна батерия“ от Yufan Zhou, Mao Su, Xiaofei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer, ​​Yingge Du, Oleg Borodin, Yanting Wang, Xue-Lin Wang, Kang Xu, Zhijie Xu, Chongmin Wang и Zihua Zhu, 27 януари 2020 г., Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-019-0618-4

Частта от PNNL на изследването, публикувано в Nature Nanotechnology, е финансирана от PNNL, Службата за енергийна ефективност и възобновяеми енергийни източници на DOE, Технологията за превозни средства и САЩ и Германия за сътрудничество за съхранение на енергия. Работата на Kang Xu е финансирана от Съвместния център за научни изследвания за съхранение на енергия на DOE. Течният SIMS анализ беше направен в EMSL, Лабораторията за молекулярни науки за околната среда, потребителско съоръжение на DOE Office of Science, разположено в PNNL.

В допълнение към Xu, Wang и Zhu, авторите на PNNL включват Yufan Zhou, Mao Su, Xiafei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer и Yingge Du.