Kad litija joni ieplūst un izlādējas no akumulatora elektroda uzlādes un izlādes laikā, izplūst mazs skābekļa daudzums un akumulatora&spriegums - mērs, cik daudz enerģijas tas piegādā - izbalē tikpat niecīgi. Zaudējumi laika gaitā palielinās, un galu galā akumulatora&enerģijas uzglabāšanas jauda var samazināties par 10-15%.
Tagad pētnieki ir mērījuši šo ļoti lēno procesu ar vēl nebijušu detalizāciju, parādot, kā caurumi vai vakances, kuras atstāj aizbēgošie skābekļa atomi, maina elektroda&# 39 struktūru un ķīmiju un pakāpeniski samazina enerģijas daudzumu, ko tas var uzkrāt.
Rezultāti ir pretrunā ar dažiem zinātnieku pieņēmumiem par šo procesu un varētu ieteikt jaunus elektrodu inženierijas veidus tā novēršanai.
Pētnieku grupa no Enerģētikas departamenta' s SLAC Nacionālās paātrinātāju laboratorijas un Stenfordas universitātes šodien aprakstīja savu darbu Dabas enerģētikā.
& quot; Mēs varējām izmērīt ļoti nelielu skābekļa izliešanas pakāpi, tik lēni, simtiem ciklu," sacīja Pīters Csernica, Stenfordas doktorants, kurš strādāja pie eksperimentiem ar asociēto profesoru Vilu Čūhu." Tas, ka tas' ir tik lēns, arī padarīja to grūti pamanāmu."
Divvirzienu šūpuļkrēsls
Litija jonu akumulatori darbojas kā šūpuļkrēsls, virzot litija jonus uz priekšu un atpakaļ starp diviem elektrodiem, kas īslaicīgi uzglabā lādiņu. Ideālā gadījumā šie joni ir vienīgās lietas, kas pārvietojas iekšā un ārā no miljardiem nanodaļiņu, kas veido katru elektrodu. Bet pētnieki jau kādu laiku zina, ka skābekļa atomi no daļiņām izplūst, litijam virzoties uz priekšu un atpakaļ. Sīkāku informāciju ir bijis grūti noteikt, jo signāli no šīm noplūdēm ir pārāk mazi, lai tos tieši izmērītu.
& quot; Kopējais skābekļa noplūdes daudzums, pārsniedzot 500 akumulatora uzlādes un izlādes ciklus, ir 6%," Csernica teica." Tas' nav tik mazs skaitlis, bet, ja mēģināt izmērīt skābekļa daudzumu, kas izdalās katra cikla laikā, tas' ir aptuveni viena simtdaļa procents."
Šajā pētījumā pētnieki netieši mēra noplūdi, aplūkojot, kā skābekļa zudums maina daļiņu ķīmiju un struktūru. Viņi izsekoja procesu vairākos garuma mērogos - sākot no mazākajām nanodaļiņām līdz nanodaļiņu puduriem līdz pilnam elektroda biezumam.
Tā kā skābekļa atomiem ir tik grūti pārvietoties cietos materiālos temperatūrā, kurā darbojas baterijas, parastā gudrība ir bijusi tāda, ka skābekļa noplūde rodas tikai no nanodaļiņu virsmām, sacīja Chueh, lai gan tas ir bijušas debatēs.
Lai tuvāk apskatītu, kas notiek' pētnieku grupa dažādus laika periodus pārvietoja ar baterijām, izņēma tās un sagrieza elektrodu nanodaļiņas detalizētai pārbaudei Lawrence Berkeley National Laboratory' s Uzlabotais gaismas avots. Tur specializētais rentgena mikroskops skenēja paraugus, veidojot augstas izšķirtspējas attēlus un pārbaudot katras sīkās vietas ķīmisko sastāvu. Šī informācija tika apvienota ar skaitļošanas tehniku, ko sauc par ptychography, lai atklātu nanoskaļru detaļas, kuras mēra metra miljarddaļās.
Tikmēr SLAC' Stanforda sinhrotrona gaismas avotā komanda izšāva rentgenstarus caur visiem elektrodiem, lai apstiprinātu, ka tas, ko viņi redzēja nanoskaļļu līmenī, bija taisnība arī daudz lielākā mērogā.
Sprādziens, tad piliens
Salīdzinot eksperimentālos rezultātus ar datora modeļiem par to, kā varētu rasties skābekļa zudumi, komanda secināja, ka sākotnējs skābekļa uzliesmojums izplūst no daļiņu virsmām, kam seko ļoti lēns piliens no interjera. Vietās, kur nanodaļiņas saplūda kopā, veidojot lielākas pudeles, tās, kas atradās pudeles centra tuvumā, zaudēja mazāk skābekļa nekā tās, kas atrodas netālu no virsmas.
Vēl viens svarīgs jautājums, sacīja Chueh, ir tas, kā skābekļa atomu zudums ietekmē viņu atstāto materiālu." Tas' patiesībā ir liels noslēpums," viņš teica." Iedomājieties, ka nanodaļiņu atomi ir kā tuvu iesaiņotas sfēras. Ja jūs turpināsiet izņemt skābekļa atomus, visa lieta varētu sabrukt un sabiezēt, jo struktūrai patīk uzturēt cieši iesaiņotu."
Tā kā šo elektroda' struktūras aspektu nevarēja tieši attēlot, zinātnieki atkal salīdzināja cita veida eksperimentālos novērojumus ar dažādu skābekļa zudumu scenāriju datora modeļiem. Rezultāti parādīja, ka vakances joprojām pastāv - materiāls nesabojājas un nepastiprinās -, un liecina, kā tās veicina akumulatora' pakāpenisku samazināšanos.
& quot; Kad aiziet skābeklis, migrē apkārtējie mangāna, niķeļa un kobalta atomi. Visi atomi dejo no ideālās pozīcijas," Čueh teica." Šī metāla jonu pārkārtošanās kopā ar ķīmiskām izmaiņām, ko izraisa trūkstošais skābeklis, laika gaitā pasliktina akumulatora spriegumu un efektivitāti. Cilvēkiem jau sen ir zināmi šīs parādības aspekti, taču mehānisms nebija skaidrs."
Tagad viņš teica:" mums ir šī zinātniskā, augšupējā izpratne" no šī svarīgā akumulatora degradācijas avota, kas varētu radīt jaunus veidus, kā mazināt skābekļa zudumu un tā kaitīgo iedarbību.
