«Фторид железа может утроить количество энергии, которое может хранить обычная литий-ионная батарея», – говорит Сон Джин, профессор химии из Университета штата Мэдисон и член Висконсинского энергетического института. "Однако нам еще предстоит раскрыть его истинный потенциал."
Аспирант Линсен Ли работал с Джином и другими сотрудниками над проведением экспериментов с современным просвечивающим рентгеновским микроскопом в Национальном синхротронном источнике света в Брукхейвене. Там они собрали химические карты реальных батареек типа «таблетка», наполненных фторидом железа, во время циклической смены батарей, чтобы определить, насколько хорошо они работают. Результаты опубликованы сегодня в журнале Nature Communications.
«Раньше мы не могли по-настоящему понять, что происходит с фторидом железа во время реакции батареи, потому что другие компоненты батареи мешали получению точного изображения», – говорит Ли.
Учет фоновых сигналов, которые в противном случае сбивали бы изображение с толку, Ли смог точно визуализировать и измерить в наномасштабе химические изменения, которые фторид железа претерпевает для накопления и разряда энергии.
До сих пор использование фторида железа в перезаряжаемых литий-ионных батареях ставило перед учеными две проблемы. Во-первых, в нынешнем виде он не очень хорошо перезаряжается.
«Это будет похоже на то, как если бы ваш смартфон заряжался вдвое меньше в первый раз, а затем и того меньше», – говорит Ли. "Потребители предпочли бы аккумулятор, который непрерывно заряжается от сотен зарядок."
Изучая трансформацию фторида железа в батареях на наноуровне, новый метод рентгеновской визуализации Джин и Ли точно определяет каждую индивидуальную реакцию, чтобы понять, почему может происходить снижение емкости.
«Анализируя рентгеновские данные на этом уровне, мы смогли отслеживать электрохимические реакции с гораздо большей точностью, чем предыдущие методы, и определили, что фторид железа работает лучше, когда он имеет пористую микроструктуру», – говорит Ли.
Вторая проблема заключается в том, что материалы батарей из фтористого железа не разряжают столько энергии, сколько потребляют, что снижает энергоэффективность. Текущее исследование дало некоторые предварительные сведения об этой проблеме, и Джин и Ли планируют решить эту проблему в будущих экспериментах.
Некоторые последствия этого исследования очевидны – например, более длительное использование портативных электронных устройств перед зарядкой – но Джин также предвидит более широкий и широкий спектр приложений.
«Если мы сможем максимально увеличить производительность и эффективность этих недорогих и широко распространенных материалов для литий-ионных аккумуляторов с фторидом железа, мы сможем продвигать крупномасштабные технологии хранения возобновляемой энергии для электромобилей и микросетей», – говорит он.
Джин также считает, что новый метод рентгеновской визуализации облегчит изучение других технологически важных преобразований твердого тела и поможет улучшить такие процессы, как получение неорганической керамики и тонкопленочных солнечных элементов.
Эксперименты проводились с помощью Yu-chen Karen Chen-Wiegart, Feng Wang, Jun Wang и их коллег из Beamline X8C, National Synchrotron Light Source, Brookhaven National Laboratory, и при поддержке U.S.
Департамент энергетики, фундаментальные энергетические науки и грант от Энергетического института штата Висконсин.
Синтез аккумуляторных материалов в лаборатории Джина был поддержан отделом исследования материалов Национального научного фонда.