Разбиване на кода на научна аномалия: Десетилетия стара мистерия на съхранението на литиево-йонни батерии

ТЕМИ:
Технология на батерията, енергия, материалознание, популярна, Тексаски университет в Остин, литиево -йонна батерия
От УНИВЕРСИТЕТ В ТЕКСАС НА ОСТИН 2 СЕПТЕМВРИ 2020 г.

Система за тестване на батерии в лабораторията на д -р Yu за разработване на съвременни електродни материали. Кредит: Тексаският университет в Остин

От години изследователите се стремят да научат повече за група метални оксиди, които показват обещание като ключови материали за следващото поколение литиево-йонни батерии поради тяхната мистериозна способност да съхраняват значително повече енергия, отколкото би трябвало да бъде възможно. Международен изследователски екип, съвместно ръководен от Тексаския университет в Остин, проби кода на тази научна аномалия, събаряйки бариерата пред изграждането на свръхбързи системи за съхранение на енергия от батерията.

Екипът установи, че тези метални оксиди притежават уникални начини за съхранение на енергия извън класическите електрохимични механизми за съхранение. Изследването, публикувано в Nature Materials, открива няколко вида метални съединения с до три пъти по-голяма способност за съхранение на енергия в сравнение с материалите, обичайни в съвременните налични в търговската мрежа литиево-йонни батерии.

Декодирайки тази мистерия, изследователите помагат за отключване на батерии с по -голям енергиен капацитет. Това може да означава по -малки, по -мощни батерии, способни бързо да доставят такси за всичко - от смартфони до електрически превозни средства.

„В продължение на почти две десетилетия изследователската общност беше объркана от тези материали - аномално високи възможности над техните теоретични граници“, каза Гуихуа Ю, доцент в катедрата по машиностроене на Уокър в инженерното училище Cockrell и един от ръководителите на проекта. „Тази работа демонстрира първите експериментални доказателства, които показват, че допълнителният заряд се съхранява физически вътре в тези материали чрез механизъм за съхранение на космически заряд“.

Система за тестване на батерии в лабораторията на д -р Yu за разработване на съвременни електродни материали. Кредит: Тексаският университет в Остин

За да демонстрира това явление, екипът намери начин да наблюдава и измерва как елементите се променят с течение на времето. В проекта участваха изследователи от UT, Масачузетския технологичен институт, Университета на Ватерло в Канада, Китайския университет Шандонг, Кингдаоския университет в Китай и Китайската академия на науките.

В центъра на откритието са оксиди на преходни метали, които са съединения, които включват кислород, свързан с преходни метали като желязо, никел и цинк. Енергията може да се съхранява в металните оксиди - за разлика от типичните методи, при които литиевите йони се придвижват и излизат от тези материали или преобразуват техните кристални структури за съхранение на енергия. И изследователите показват, че допълнителен капацитет на заряд може да се съхранява и на повърхността на железни наночастици, образувани по време на поредица от конвенционални електрохимични процеси.

Широка гама от преходни метали може да отключи този допълнителен капацитет, според изследването, и те споделят обща нишка - способността да събират висока плътност на електрони. Тези материали все още не са готови за праймтайм, каза Ю. главно поради липсата на познания за тях. Но изследователите казаха, че тези нови открития трябва да направят дълъг път, за да хвърлят светлина върху потенциала на тези материали.

Основната техника, използвана в това изследване, наречена in situ магнитометрия, е метод за магнитно наблюдение в реално време за изследване на еволюцията на вътрешната електронна структура на материала. Той е в състояние да определи количествено капацитета на заряда чрез измерване на вариациите в магнетизма. Тази техника може да се използва за изследване на съхранението на заряд в много малък мащаб, който надхвърля възможностите на много конвенционални инструменти за характеризиране.

„Най -значимите резултати са получени от техника, често използвана от физиците, но много рядко в общността на батериите“, каза Ю. „Това е перфектна витрина на красив брак между физика и електрохимия“

Справка: „Допълнителен капацитет за съхранение в литиево-йонни батерии от оксидни преходни метали, разкрит чрез in situ магнитометрия“ от Qiang Li, Hongsen Li, Qingtao Xia, Zhengqiang Hu, Yue Zhu, Shishen Yan, Chen Ge, Qinghua Zhang, Xiaoxiong Wang , Xiantao Shang, Shuting Fan, Yunze Long, Lin Gu, Guo-Xing Miao, Guihua Yu и Jagadeesh S. Moodera, 17 август 2020 г., Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-020-0756-y