Nový výzkum popisuje vývoj nanostrukturních atomů lithia (modré) ukládajících se na elektrodu (žlutá) během nabíjení baterie. Obrázek s laskavým svolením Idaho National Laboratory
Výzkumníci z Idaho National Laboratory ve spolupráci s Kalifornskou univerzitou v San Diegu prokázali zlepšení chování při nabíjení. Zjištění navrhují strategie, které zlepší dobíjení a prodlouží životnost baterie. Přesvědčivý výzkum výroby skelných kovů:
Ve srovnání s krystalickým lithiem má sklovité lithium lepší výsledky v elektrochemické reverzibilitě a je žádoucí strukturou pro vysokoenergetické dobíjecí baterie, napsali autoři.“
Studie zveřejněná v Nature Materials od Wang, X., Pawar, G., Li, Y. et al. Skelná Li kovová anoda pro vysoce výkonné dobíjecí Li baterie. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1
Zde byla použita kryogenní transmisní elektronová mikroskopie k odhalení vyvíjející se nanostruktury ložisek kovu Li v různých přechodných stavech v procesu nukleace a růstu, ve kterých byl pozorován fázový přechod porucha-řád jako funkce hustoty proudu a času depozice. . Atomové interakce v širokém prostorovém a časovém měřítku byly znázorněny simulacemi reaktivní molekulární dynamiky, aby pomohly porozumět kinetice. Ve srovnání s krystalickým Li má sklovité Li lepší výsledky v elektrochemické reverzibilitě a má požadovanou strukturu pro vysokoenergetické dobíjecí Li baterie.
Naše zjištění koreluje krystalinitu jader s následným růstem nanostruktury a morfologie a poskytuje strategie pro řízení a tvarování mezostruktury kovu Li pro dosažení vysokého výkonu v dobíjecích Li bateriích.
—Wang et al.
Celý příběh:
Původně publikováno Idaho National Laboratory
Materiáloví vědci zkoumající prvních pár okamžiků dobíjení baterie narazili na úžasnou entitu. Jejich objev se vymykal očekáváním, logice i zkušenostem. Ještě důležitější je, že to může otevřít dveře lepším bateriím, rychlejším katalyzátorům a dalším skokům ve vědě o materiálech.
Vědci z Idaho National Laboratory a University of California San Diego zkoumali nejranější fáze dobíjení lithia na atomové úrovni. Ke svému překvapení se dozvěděli, že pomalé nabíjení s nízkou energií způsobilo, že se atomy lithia ukládaly na elektrodách neuspořádaným způsobem, což zlepšuje chování při nabíjení. Toto nekrystalické „sklovité“ lithium nebylo nikdy pozorováno a vytvoření takových amorfních kovů bylo tradičně extrémně obtížné.
Zjištění naznačují strategie pro jemné doladění přístupů k dobíjení pro prodloužení životnosti baterie a – což je zajímavé – pro výrobu skelných kovů pro jiné aplikace. Studie se tento týden objevila online v přírodních materiálech .
Lithium metal je považován za ideální anodu pro vysokoenergetické dobíjecí baterie, které musí být lehké a přitom ukládat spoustu energie. Dobíjení takových baterií zahrnuje ukládání atomů lithia na povrch anody, což je proces, který na atomové úrovni není dobře pochopen.
Vědci vědí, že lithiové kovové anody se mohou dobíjet nepravidelně a v důsledku toho nemohou vydržet mnoho dobíjecích cyklů. Způsob, jakým se atomy lithia ukládají na anodu, se může lišit od jednoho cyklu dobíjení k dalšímu, pravděpodobně ovlivněný nejranějším shromážděním prvních několika atomů, procesem známým jako nukleace.
"Tato počáteční nukleace může ovlivnit výkon, bezpečnost a spolehlivost vaší baterie," řekl Gorakh Pawar, vědecký pracovník INL a jeden ze dvou hlavních autorů článku. "Je důležité pochopit základní mechanismus ukládání lithia... zejména ve velmi raném stádiu nukleace," napsali.
Aby vědci zjistili, jak se atomy lithia poprvé spojí během dobíjení, spojili snímky a analýzy z výkonného elektronového mikroskopu s chlazením kapalným dusíkem a počítačovým modelováním. Průkopnický přístup kryo-stavové elektronové mikroskopie jim umožnil vidět vytváření „embryí“ lithiových kovů a počítačové simulace pomohly vysvětlit, co viděli.
Lithium, stejně jako jiné kovy, typicky existuje ve strukturované krystalické fázi. Takové „zrnité“ lithium může vést k nekonzistentnímu nabíjení a zkratům, protože krystaly mohou růst v různých tvarech, řekl Pawar. Nekonzistentní progrese růstu lithia z jednoho nabíjecího cyklu do druhého vede k nepravidelným tvarům (také známým jako dendrity) a může zkrátit životnost baterie.
Když se výzkumný tým snažil porozumět počátečnímu procesu nukleace, byl překvapen, když zjistil, že za určitých podmínek vznikla méně strukturovaná forma lithia, která byla amorfní (jako sklo) spíše než krystalická (jako diamant).
„Tato práce ukazuje sílu kryogenního zobrazování k objevování nových jevů ve vědě o materiálech,“ řekla Shirley Meng, která vedla průkopnickou práci kryomikroskopie na UC San Diego. Řekla, že získaná zobrazovací a spektroskopická data jsou často spletitá a komplikovaná a poznamenala:„Je to skutečná týmová práce, která nám umožnila interpretovat experimentální data s jistotou, protože výpočetní modelování pomohlo dešifrovat složitost.“
V porovnání s krystalickým lithiem má sklovité lithium lepší výsledky v elektrochemické reverzibilitě a je žádanou strukturou pro vysokoenergetické dobíjecí baterie,“ napsali autoři. Nález byl šokující, protože čisté amorfní elementární kovy nebyly nikdy předtím pozorovány. Jejich výroba je extrémně náročná a pouze několik kovových směsí (slitin) bylo pozorováno se „sklovitým“ uspořádáním, které propůjčuje silné vlastnosti materiálu.
A co víc, tým zjistil, že sklovité lithiové embryo si pravděpodobněji zachová svou amorfní strukturu během růstu. Když se výzkumníci snažili pochopit, jaké podmínky podporují skelnou nukleaci, byli znovu šokováni.
"Můžeme vyrobit amorfní kov ve velmi mírných podmínkách při velmi pomalé rychlosti nabíjení," řekl Boryann Liaw, člen ředitelství INL a vedoucí práce INL. "Je to docela překvapivé."
Tento výsledek byl kontraintuitivní, protože se předpokládalo, že pomalé rychlosti depozice umožní atomům najít cestu do uspořádaného pole – zrnité lithium. Najít sklovité lithium za takových podmínek bylo považováno za nemyslitelné, řekl Liaw. Práce na modelování vysvětlila, jak reakční kinetika soutěží s krystalizací při řízení sklovité formace. Tým potvrdil tato zjištění vytvořením skelných forem čtyř reaktivnějších kovů, které jsou atraktivní pro aplikace baterií.
Výzkum navrhuje, jak lépe dosáhnout skelných usazenin lithia při dobíjení vysokoenergetických baterií. Po aplikaci by výsledek mohl pomoci splnit cíle konsorcia Battery500, iniciativy ministerstva energetiky, která výzkum financovala. Cílem konsorcia je vyvinout komerčně životaschopné baterie pro elektromobily se specifickou energií na úrovni článků 500 Wh/kg.
"Skutečná inovace musí pocházet z velmi základních vědeckých znalostí jakýchkoli materiálů nebo procesů," řekl Liaw. Navíc by toto nové chápání mohlo vést k účinnějším kovovým katalyzátorům, silnějším kovovým povlakům a dalším aplikacím, které by mohly těžit ze skelných kovů.
.Korelace mezi krystalinitou kovu Li a výkonem (vlevo) a strategiemi pro dosažení lepšího výkonu (vpravo). Výkon (vlevo) je specifikován jako elektrochemický výkon Li kovu jako anody pro Li kovové baterie, včetně vysoké Coulombické účinnosti (CE), dlouhé životnosti, nízké objemové změny a nepřítomnosti Li dendritů. Strukturální spojení je označováno jako schopnost udržovat elektronickou a iontovou cestu pro přenos náboje a transport iontů; špatné strukturální spojení usnadní ztrátu elektrochemické aktivity a vytvoří „mrtvé“ Li. Elektrochemická reverzibilita se měří poměrem obsahu stripovaného Li k pokovenému Li, který by se měl blížit 100 %. Ideální hustota nánosu by měla být v souladu s teoretickou hustotou kovu Li (0,534 g cm–3). Navrhované strategie, jako je použití 3D substrátu, změna hustoty proudu, inženýrská mezifáze a navrhování elektrolytů, mohou změnit přenos energie a přenos hmoty EDLi během nukleace a růstu, což vede k různé krystalinitě EDLi. Wang a kol.
