Използване на рентгеново изображение за подобряване на технологията на литиево-сярна батерия

ТЕМИ:
Технология на батериите, материалознание, възобновяема енергия, Национална лаборатория за ускорители SLAC
От МАРК ШВАРЦ, НАЦИОНАЛНА УСКОРИТЕЛНА ЛАБОРАТОРИЯ НА SLAC 19 ЮЛИ 2012

Йохана Нелсън използва мощни рентгенови изображения за изследване на литиево-серни батерии, обещаваща технология, която някой ден може да задвижва електрически превозни средства. Работейки с учени от SLAC и Станфордския университет, Нелсън направи микроскопски снимки на отделни частици сяра-първото изображение в реално време на работеща литиево-сярна батерия. Предишни проучвания, използващи стандартни електронни микроскопи, показаха, че големи количества сяра изчезват от катода след циклиране, което води до умрене на батерията. Но екипът на Нелсън показа, че серните частици остават главно непокътнати. Техните резултати биха могли да помогнат на учените да разработят търговски жизнеспособни литиево-серни батерии за електрически автомобили.

„Животът на цикъла на литиево-серните батерии е много кратък“, казва Йохана Нелсън, докторант в Националната ускорителна лаборатория SLAC в Станфордския университет. „Обикновено след няколко десетки цикъла батерията ще умре, така че не е жизнеспособна за електрически превозни средства, които изискват много хиляди цикли за 10- или 20-годишен живот.“

Типичната литиево-сярна батерия се състои от два електрода-литиево-метален анод и сярно-въглероден катод-заобиколен от проводима течност или електролит. Няколко проучвания приписват краткия живот на батерията на химични реакции, които изчерпват катода на сярата.
Но скорошно проучване на Нелсън и нейните колеги поражда съмнения относно валидността на предишните експерименти. Използвайки рентгеново изобразяване на действително работеща батерия, екипът на Stanford-SLAC откри, че серните частици в катода до голяма степен остават непокътнати по време на разреждането. Техните резултати, публикувани в Journal of the American Chemical Society (JACS), биха могли да помогнат на учените да намерят нови начини за разработване на търговски изгодни литиево-серни батерии за електрически превозни средства.

„Въз основа на предишни експерименти очаквахме серните частици да изчезнат напълно от катода, когато батерията се разреди“, каза Нелсън, водещ автор на изследването JACS. „Вместо това, ние видяхме само незначителни промени в размера на частиците, точно обратното на това, което по -ранните проучвания установиха.“

Нелсън и нейните колеги проведоха експериментите си в SLAC, използвайки две мощни техники за изобразяване: рентгенова дифракция и трансмисионна рентгенова микроскопия. Рентгеновият микроскоп позволи на изследователите да правят наноразмерни снимки на отделни частици сяра преди, по време и след разреждане-първото изображение в реално време на работеща литиево-сярна батерия.

„Стандартният начин за изобразяване с висока разделителна способност е с електронни микроскопи, след като батерията е частично разредена“, каза Нелсън. „Но електроните не проникват много добре в метала и пластмасата. С рентгеновия микроскоп на SLAC всъщност можем да видим промени, които се случват, докато батерията работи. “

Песни полисулфиди

В литиево-серните батерии се генерира електрически ток, когато литиевите йони в анода реагират с серни частици на катода по време на разреждане. Страничните продукти от тази химическа реакция са съединения, известни като литиеви полисулфиди.

Проблеми могат да възникнат, когато полисулфидите изтичат в електролита и трайно се свързват с литиево -металния анод. „Когато това се случи, целият сярен материал в полисулфидите се губи“, каза Нелсън. „Никога няма да се рециклира. Не искате да губите активен сярен материал всеки път, когато батерията се разрежда. Искате батерия, която може да се циклира няколко пъти

Предишните експерименти също показват образуването на кристали на дилициев сулфид (Li2S) по време на фазата на разреждане. „Кристалните Li2S и полисулфидите могат да образуват тънък филм, който предотвратява провеждането на електрони и литиеви йони“, каза Нелсън. „Филмът действа като изолационен слой, който може да доведе до умрене на батерията.“

Няколко проучвания, използващи електронни микроскопи, дават изображения на електроди, покрити с полисулфиди и кристален Li2S, и катоди, обеднени от сяра. Тези изображения накараха изследователите да заключат, че голяма част от сярата е химически трансформирана в литиево-полисулфидни листове, които не позволяват на батерията да работи.

Грешни констатации

Но според Нелсън и нейните колеги някои от предишните проучвания са били погрешни. „Подходът, който използваха, беше погрешен“, каза Нелсън. „Обикновено те циклират батерията, разглобяват я, измиват електролита и след това я анализират с рентгенова дифракция или електронен микроскоп. Но когато направите това, вие също измивате всички полисулфиди, които са хванати хлабаво върху катода. Така че, когато изобразявате катода, изобщо не виждате никакви видове сяра. “
Екипът на Stanford-SLAC използва различен подход. Изследователите използваха трансмисионния рентгенов микроскоп в SLAC, за да направят множество изображения на малки частици сяра на всеки пет минути, докато батерията се разрежда. Всяка частица беше част от размера на пясъчно зърно. Резултатите бяха ясни: всяка частица запазва своята основна форма и размер през целия цикъл на изхвърляне.

„Очаквахме сярата да изчезне напълно и да образува полисулфиди в електролита“, каза Нелсън. „Вместо това открихме, че в по -голямата си част частиците останаха там, където бяха и загубиха много малка маса. Те наистина образуваха полисулфиди, но повечето от тях бяха уловени в близост до въглерод-серния катод. Не трябваше да разглобяваме батерията или дори да я спираме, защото можехме да изобразим съдържанието на сяра, докато устройството работи. “

Рентгеновата дифракция доведе до допълнителна изненада. „Въз основа на предишни експерименти очаквахме, че кристалният Li2S ще се образува в края на цикъла на разреждане“, каза тя. „Но ние направихме много дълбок разряд и никога не видяхме никакъв Li2S в кристалното му състояние.“

Бъдещи изследвания

Изследването на Stanford-SLAC би могло да открие нови възможности за изследване, които биха могли да подобрят работата на литиево-серните батерии, каза съавторът Майкъл Тони, ръководител на отдела за материалознание в Stanford Synchrotron Radiation Lightsource.

„Нашето проучване демонстрира значението на използването на мощни рентгенови технологии за изследване на батериите, докато те работят“, каза Тони. „От инженерна гледна точка е ценно да се знае, че разчитането на стандартна електронна микроскопия за проверка на верността на материалите може да ви даде измамни резултати.“

Няколко изследователски лаборатории търсят нови начини за улавяне на полисулфиди върху катода. Разнообразие от техники показаха обещание, включително нови електролити и въглеродни нанотръби, покрити със сяра.

Но проблемът с полисулфида може да не е толкова обезсърчителен, колкото показват предишните проучвания.

„Открихме, че много малко от полисулфидите са отишли ​​в електролита“, каза Нелсън. „Катодът въглерод-сяра всъщност ги хвана по-добре от очакваното. Но дори и малко количество полисулфиди ще доведе до повреда на батерията в рамките на 10 цикъла. Ако учените искат да подобрят жизнения цикъл на батерията, те трябва да предотвратят изтичането на почти всички полисулфиди в електролита. Ако наистина искат да знаят какво се случва вътре в батерията, те не могат просто да използват стандартен анализ. Те се нуждаят от технология, която разказва цялата история. “

В допълнение към Нелсън, водещите автори на изследването JACS са следдокторантът на SLAC Сумохан Мисра и докторантът от Станфорд Юан Ян.

Изследването е също в съавторство с Yi Cui, доцент по материалознание и инженерство в Станфорд и по фотонна наука в SLAC; Hongjie Dai, професор по химия в Станфорд; аспиранти Ариел Джаксън и Хайлианг Уанг от Станфорд; и Джой К. Андрюс, щатен учен в SLAC.

Изследването е подкрепено от Министерството на енергетиката, Министерството на отбраната и стипендия на Станфорд.

SLAC е национална лаборатория, управлявана от Станфорд за DOE. Изследването е проведено в сътрудничество със Станфордския институт за материали и енергийна наука, изследователско партньорство на Stanford-SLAC.