Сотрудничество во главе с исследователями из университета Мэриленда (UMD), Брукхевенской Национальной лаборатории американского Министерства энергетики (DOE) и научно-исследовательской лаборатории армии США развивало и изучило новый материал катода, что имел возможность утроить плотность энергии электродов литий-ионного аккумулятора. Их изучение было издано 13 июня по собственной природе Коммуникации.«Литий-ионные аккумуляторная батареи складываются из катода и анода», заявил Сиулинь Фэн, ученый из UMD и одного из ведущих авторов статьи. «Если сравнивать с громадной мощностью коммерческих анодов графита, применяемых в литий-ионных аккумуляторная батареях, свойство катодов намного более ограничена.
Материалы катода неизменно – узкое место для предстоящего улучшения плотности энергии литий-ионных аккумуляторная батарей».Ученые из UMD синтезировали новый материал катода, поменянную и спроектированную форму железа trifluoride (FeF3), что складывается из рентабельных и экологически мягких элементов – фтор и железо. Исследователи интересовались применением химических соединений как FeF3 в литий-ионных аккумуляторная батареях, по причине того, что они предлагают неотъемлемо более высокие мощности, чем классические материалы катода.«Материалы, в большинстве случаев применяемые в литий-ионных аккумуляторная батареях, основаны на химии прибавления», сообщил Эньюань Ху, химик в Брукхевене и один из ведущих авторов статьи. «Данный тип химической реакции весьма действен; но, это лишь передает единственный электрон, так, свойство катода ограничена.
Кое-какие комплексы как FeF3 способны к передаче многократных электронов через более сложный механизм реакции, названный конверсионной реакцией».Не обращая внимания на потенциал FeF3, дабы расширить свойство катода, комплекс исторически не трудился прекрасно в литий-ионных аккумуляторная батареях из-за трех осложнений с его конверсионной реакцией: нехорошая энергоэффективность (гистерезис), реакции стороны и медленный темп реакции, каковые смогут привести к плохой жизни езды на велосипеде. Дабы преодолеть эти неприятности, ученые добавили атомы кислорода и кобальта к нанопрутам FeF3 при помощи процесса, названного химической заменой.
Это разрешило ученым руководить методом реакции и делать его более «обратимым».«В то время, когда литиевые ионы засунуты в FeF3, материал преобразован в литиевый фторид и железо», сообщил Соойеон Хван, учёный и соавтор бумаги из Центра Брукхевена Функциональных Наноматериалов (CFN). «Но реакция не всецело обратима.
По окончании замены с кислородом и кобальтом, лучше сохраняется основная структура материала катода, и реакция делается более обратимой».Дабы изучить путь реакции, ученые совершили многократные опыты в CFN и Национальном Источнике света Синхротрона II (NSLS-II) – два Офиса САМКИ Научных Пользовательских Сооружений в Брукхевене.Сперва в CFN, исследователи применяли сильный луч электронов, дабы взглянуть на нанопруты FeF3 в резолюции 0,1 миллимикронов – техника, названная микроскопией электрона передачи (TEM). Опыт TEM разрешил исследователям выяснить правильный размер наночастиц в структуре катода и проанализировать, как структура изменилась между разными фазами процесса выброса обвинения.
Они видели более стремительную скорость реакции для нанопрутов, которыми заменяют.«TEM – замечательный инструмент для чёрта материалов в весьма мелких шкалах расстояний, и это кроме этого в состоянии изучить процесс реакции в реальном времени», сообщил Дун Су, ученый из CFN и co-corresponding создатель изучения. «Но мы можем лишь видеть весьма ограниченную область примера, применяя TEM. Мы должны были надеяться на способы синхротрона в NSLS-II, чтобы выяснить, как целая батарея функционирует».В X-ray Powder Diffraction (XPD) NSLS-II beamline, ученые направили ультраяркий рентген через материал катода.
Разбирая, как свет рассеялся, ученые имели возможность «видеть» дополнительную данные о структуре материала.«В XPD мы совершили измерения функции распределения пары (PDF), каковые способны к обнаружению местных металлических заказов по громадному количеству», сообщил Цзяньмин Бай, учёный и соавтор бумаги из NSLS-II. «Анализ PDF высвобожденных от обязательств катодов светло продемонстрировал, что химическая замена продвигает электрохимическую обратимость».Объединение высоко методов микроскопии и передового отображения в CFN и NSLS-II было критическим шагом для оценки функциональности материала катода.
«Мы кроме этого выполнили передовые вычислительные подходы на базе плотности функциональная теория расшифровать механизм реакции в уровне атомов», сообщил Сяо Цзи, ученый из UMD и соавтор бумаги. «Данный подход продемонстрировал, что химическая замена переместила реакцию на весьма обратимое государство, снизив размер частицы железа и стабилизировав фазу каменной соли. «Ученые из UMD говорят, что эта стратегия изучения могла быть применена к вторым высоким энергетическим конверсионным материалам, и будущие изучения смогут применять подход, дабы улучшить другие системы клеточного содержания.