Этот компонент, известный как межфазная фаза твердого электролита или SEI, выполняет решающую функцию по блокированию одних частиц, позволяя проходить другим, как вышибала из таверны, отбрасывающая нежелательные частицы, позволяя при этом проникать в пыль. Структура была загадкой для ученых, которые изучали ее десятилетиями. Исследователи использовали несколько методов, чтобы узнать больше, но никогда – до сих пор – они не видели его создания на молекулярном уровне.
Более подробная информация о SEI – важный шаг на пути к созданию более энергоэффективных, долговечных и безопасных литий-ионных аккумуляторов.
Работа опубликована янв.
27 в Nature Nanotechnology была проведена международной группой ученых во главе с исследователями из Университета.S. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики и США.S. Армейская исследовательская лаборатория.
Соответствующие авторы включают Цзихуа Чжу, Чунмин Ван и Чжицзе Сюй из PNNL и Кан Сю из U.S. Армейская исследовательская лаборатория.
Почему вообще работают литий-ионные батареи: SEI
Межфазная фаза твердого электролита представляет собой очень тонкую пленку материала, которой не существует, когда батарея создается впервые. Только когда аккумулятор заряжается в первый раз, молекулы объединяются и электрохимически реагируют с образованием структуры, которая действует как шлюз, позволяющий ионам лития проходить туда и обратно между анодом и катодом. Важно отметить, что SEI заставляет электроны совершать обходной путь, что поддерживает работу батареи и делает возможным накопление энергии.
Именно благодаря SEI у нас вообще есть литий-ионные батареи для питания наших мобильных телефонов, ноутбуков и электромобилей.
Но ученым нужно больше знать об этой структуре шлюза. Какие факторы отделяют блестящих от мусора в литий-ионном аккумуляторе??
Какие химические вещества должны быть включены в электролит и в каких концентрациях, чтобы молекулы сформировали наиболее полезные структуры SEI, чтобы они не всасывали молекулы из электролита постоянно, что ухудшало характеристики батареи?
Ученые работают с различными ингредиентами, прогнозируя, как они будут сочетаться, чтобы создать лучшую структуру. Но без дополнительных знаний о том, как создается межфазная фаза твердого электролита, ученые подобны поварам, жонглирующим ингредиентами, работая с кулинарными книгами, которые написаны лишь частично.
Изучение литий-ионных аккумуляторов с помощью новых технологий
Чтобы помочь ученым лучше понять SEI, команда использовала запатентованную технологию PNNL для анализа структуры в момент ее создания. Ученые использовали пучок энергичных ионов для туннелирования в только что формирующийся SEI в работающей батарее, отправив часть материала в воздух и улавливая его для анализа, полагаясь на поверхностное натяжение, чтобы помочь удержать жидкий электролит.
Затем команда проанализировала компоненты SEI с помощью масс-спектрометра.
Запатентованный подход, известный как жидкостная вторичная ионная масс-спектрометрия in situ или жидкостная SIMS, позволил команде получить беспрецедентный взгляд на SEI, как он формируется, и обойти проблемы, связанные с работающей литий-ионной батареей. Технология была создана командой под руководством Чжу на основе предыдущей работы по SIMS коллегой из PNNL Сяо-Ин Юй.
«Наша технология дает нам твердое научное представление о молекулярной активности в этой сложной структуре», – сказал Чжу. "Результаты потенциально могут помочь другим адаптировать химию электролита и электродов, чтобы сделать батареи лучше."
U.S.
Армия и исследователи PNNL сотрудничают
Команда PNNL связалась с Кан Сю, научным сотрудником U.S. Армейская исследовательская лаборатория и эксперт по электролиту и SEI, и вместе они взялись за вопрос.
Ученые подтвердили то, что предполагали исследователи, – что SEI состоит из двух слоев.
Но команда пошла намного дальше, указав точный химический состав каждого слоя и определили химические этапы, которые происходят в батарее, чтобы создать структуру.
Команда обнаружила, что один слой структуры рядом с анодом тонкий, но плотный; это слой, который отталкивает электроны, но позволяет ионам лития проходить сквозь.
Внешний слой, расположенный рядом с электролитом, толще и опосредует взаимодействие между жидкостью и остальной частью SEI. Внутренний слой немного тверже, а внешний более жидкий, что немного похоже на разницу между недоваренной и переваренной овсянкой.
Роль фторида лития
Одним из результатов исследования является лучшее понимание роли фторида лития в электролите, используемом в литий-ионных батареях. Несколько исследователей, в том числе Кан Сюй, показали, что батареи с SEI, более богатыми фторидом лития, работают лучше. Команда показала, как фторид лития становится частью внутреннего слоя SEI, и результаты предлагают подсказки о том, как включить больше фтора в структуру.
«С помощью этой техники вы узнаете не только о том, какие молекулы присутствуют, но и о том, как они устроены», – говорит Ван. "В этом прелесть этой технологии."
Часть исследования PNNL, опубликованная в Nature Nanotechnology, была профинансирована PNNL, Управлением транспортных технологий Министерства энергетики и возобновляемой энергии и U.S.-Сотрудничество Германии в области хранения энергии. Работа Кан Сюй финансировалась Объединенным центром исследований накопителей энергии Министерства энергетики США.
Жидкий ВИМС-анализ был проведен в EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США, расположенном в PNNL.
Помимо Сюй, Ван и Чжу, авторы PNNL включают Юфан Чжоу, Мао Су, Сяфэй Ю, Яньян Чжан, Цзюнь-Ган Ван, Сяоди Рен, Жуйго Цао, У Сюй, Дональд Р. Баэр и Ингэ Ду.