Nuacht Tionscail

Iain litiam a chasadh ag gluaiseacht i gceallra luchtaithe tapa

2021-08-09



Scéimreach den mhionchill leictriceimiceach a thóg na heolaithe chun iain litiam (oráiste) a bhí ag gluaiseacht i laitís LTO (gorm) a chase. Creidmheas: Saotharlann Náisiúnta Brookhaven

 

Ghlac foireann eolaithe faoi stiúir Saotharlann Náisiúnta Brookhaven na Roinne Fuinnimh (DOE) agus Saotharlann Náisiúnta Lawrence Berkeley i bhfíor-am conas a bhogann hiain litiam i titanate litiam (LTO), ábhar leictreoid ceallraí a ghearrann go tapa déanta as litiam, tíotáiniam. , agus ocsaigin. Fuair ​​​​siad amach go soláthraíonn socruithe saobhadh litiam agus na n-adamh máguaird i "idirmheánach" LTO (struchtúir LTO le tiúchan litiam idir a stáit tosaigh agus a stáit deiridh) "lána sainráite" chun iain litiam a iompar. D'fhéadfadh a bhfionnachtana, a tuairiscíodh in eagrán Eolaíochta 28 Feabhra, léargais a sholáthar maidir le hábhair cheallraí feabhsaithe a dhearadh chun feithiclí leictreacha a mhuirearú go tapa agus leictreonaice tomhaltóra iniompartha mar fhóin phóca agus ríomhairí glúine.

 

"Smaoinigh nach dtógann sé ach cúpla nóiméad umar gáis cairr a líonadh ach cúpla uair an chloig chun ceallraí feithicle leictreacha a mhuirearú," a dúirt an t-údar comhfhreagraí Feng Wang, eolaí ábhair i Roinn Eolaíochtaí Idirdhisciplíneacha Brookhaven Lab. “Figing amach conas a dhéanamhlitiamIs mór an rud é iain bogadh níos tapúla in ábhair leictreoid, mar go bhféadfadh sé cabhrú linn cadhnraí níos fearr a thógáil le ham muirir laghdaithe go mór."

 

Oibríonn cadhnraí litiam-ian trí hiain litiam a shuffing idir leictreoid dhearfach agus diúltach (catóide agus anóid) trí mheán ceimiceach ar a dtugtar leictrilít. Úsáidtear graifít go coitianta mar anóid i stát-de-aimsearthalitiam-iancadhnraí, ach le haghaidh feidhmeanna luchtaithe go tapa, is rogha eile tarraingteach é LTO. Is féidir le LTO freastal ar ions litiam go tapa, gan a bheith ag fulaingt ó phlátáil litiam (deistíocht litiam ar an dromchla leictreoid in ionad go hinmheánach).

 

De réir mar a fhreastalaíonn LTO ar litiam, athraíonn sé óna chéim bhunaidh (Li4Ti5O12) go dtí céim deiridh (Li7Ti5O12), agus tá seoltacht lag litiam ag an dá cheann acu. Mar sin, tá eolaithe faoi seach faoi conas is féidir LTO a bheith ina leictreoid luchtaithe go tapa. Chun an paradacsa dealraitheach seo a thabhairt chun réitigh, teastaíonn eolas ar conas a idirleata iain litiam i struchtúir idirmheánacha LTO (iad siúd a bhfuil tiúchan litiam idir Li4Ti5O12 agus Li7Ti5O12), seachas pictiúr statach a dhíorthaítear ó na céimeanna tosaigh agus deiridh amháin. Ach is tasc neamhfhánach é tréithriú den sórt sin a chomhlíonadh. Is éadrom iad na hiain litiam, rud a fhágann nach mbíonn siad dothuigthe do theicnící traidisiúnta leictreon-bhunaithe nó X-ghathaithe, go háirithe nuair a bhíonn na hiain ag suaitheadh ​​go tapa laistigh d’ábhair ghníomhacha, mar nanacháithníní LTO i leictreoid ceallraí oibriúcháin.

 

Sa staidéar seo, bhí na heolaithe in ann imirce na n-ian litiam i nanacháithníní LTO a rianú i bhfíor-am trí chill leictreoincheimiceach a dhearadh chun oibriú taobh istigh de mhicreascóp leictreoin tarchurtha (TEM). Chuir an chill leictriceimiceach seo ar chumas na foirne speictreascópacht leictreoin-chaillteanas fuinnimh (EELS) a dhéanamh le linn luchtú agus urscaoilte na ceallraí. In EELS, déantar an t-athrú ar fhuinneamh leictreon tar éis dóibh idirghníomhú le sampla a thomhas chun faisnéis a nochtadh faoi staid cheimiceach áitiúil an tsampla. Chomh maith le bheith an-íogair d’ian litiam, soláthraíonn EELS, nuair a dhéantar é laistigh de TEM, an ard-réiteach sa spás agus san am a theastaíonn chun iompar ian a ghabháil i nanacháithníní.

 

“Chuaigh an fhoireann i ngleic le dúshlán ilghnéitheach maidir le forbairt na cille feidhmiúla leictriceimiceach, rud a fhágann go raibh an timthriall cille cosúil le ceallraí rialta agus iad ag cinntiú go raibh sé beag go leor le luí isteach i spás samplach milliméadar an cholúin TEM,” a dúirt an comhúdar agus an t-eolaí sinsearach Yimei Zhu, atá i gceannas ar an nGrúpa Micreascóip Leictreon agus Nanastruchtúir i Rannán na Fisice agus na nÁbhar Comhdhlúite (CMPMS) Brookhaven. trédhearcacht leictreoin scrúdaithe i TEManna."

 

Bhí faisnéis sa speictream EELS a d'eascair as seo faoi áitíocht agus timpeallacht áitiúil litiam ag stáit éagsúla LTO de réir mar a chuaigh muirear agus scaoileadh chun cinn. Chun an fhaisnéis a shoiléiriú, rinne eolaithe ón ngrúpa Taighde ar Dhearadh Ríomhaireachtúil agus Turgnamhach Ábhair atá ag Teacht Chun Cinn (CEDER) ag Berkeley agus ón Lárionad um Nana-Ábhair Fheidhmiúla (CFN) ag Brookhaven an speictream a insamhladh. Ar bhonn na n-ionsamhlúcháin seo, chinn siad socruithe na n-adamh as measc na mílte féidearthachtaí. Chun tionchar an struchtúir áitiúil ar iompar ian a chinneadh, ríomh an grúpa CEDER na bacainní fuinnimh a bhaineann le himirce litiam-ian i LTO, ag baint úsáide as modhanna atá bunaithe ar mheicnic chandamach.

 

Iain litiam ag gluaiseacht go tapa feadh "cosáin éasca" i bhfoirmíochtaí idirmheánacha LTO. Samhlaigh an laitís LTO mar chúrsa bacainní rás-charr a gcaithfidh na hiain litiam nascleanúint a dhéanamh timpeall. Ina chéim bhunaidh (Li4Ti5O12) agus an chéim deiridh athraíonn sé isteach chun freastal ar hiain litiam (Li7Ti5O12), tá cumraíochtaí adamhach ag LTO ina bhfuil go leor constaicí ar an mbealach. Mar sin, caithfidh iain litiam taisteal go mall tríd an bacchúrsa. Ach i bhfoirmíochtaí idirmheánacha LTO (cosúil leis an Li5 + xTi5O12 a thaispeántar sa scannán), tarlaíonn saobhadh áitiúla i socrú na n-adamh timpeall ar litiam feadh theorainn an dá chéim seo. Sluasaid na saobhadh seo na constaicí beagán as an mbealach, rud a fhágann go bhfuil "lána tapa" ann chun iain litiam a luas tríd. Creidmheas: Saotharlann Náisiúnta Brookhaven

 

"Bhí samhaltú ríomhaireachtúil an-tábhachtach chun tuiscint a fháil ar conas is féidir le litiam bogadh chomh tapa tríd an ábhar seo," a dúirt an t-údar comhfhreagraí agus ceannaire grúpa CEDER Gerbrand Ceder, Ollamh Seansailéir sa Roinn Eolaíochta Ábhar agus Innealtóireachta ag UC Berkeley agus eolaí sinsearach dáimhe i. an Rannóg Eolaíochta Ábhar ag Berkeley Lab. "De réir mar a thógann an t-ábhar litiam, éiríonn an socrú adamhach an-chasta agus deacair a choincheapú le smaointe simplí iompair. Bhí na ríomhanna in ann a dhearbhú go bhfuil plódú na n-ian litiam le chéile an-soghluaiste."

 

"Gné thábhachtach den obair seo ba ea an meascán de thurgnamh agus ionsamhlúchán, mar is féidir le insamhaltaí cabhrú linn sonraí turgnamhacha a léirmhíniú agus tuiscint mheicniúil a fhorbairt," a dúirt an comh-údar Deyu Lu, fisiceoir sa Ghrúpa Teoirice agus Ríomhaireachta CFN. "Tá ról tábhachtach ag an saineolas i speictreascópacht ríomhaireachtúil atá á fhorbairt againn ag CFN thar na blianta sa tionscadal comhoibritheach úsáideoirí seo chun méarloirg speictreach ríthábhachtacha in EELS a shainaithint agus a mbunús fisiceach i struchtúir adamhach agus a n-airíonna leictreonacha a réiteach."

 

Léirigh anailís na foirne go bhfuil cumraíochtaí idirmheánacha metastable ag LTO nach bhfuil na hadaimh ina ngnáthshocrú go háitiúil. Laghdaíonn na saobhadh "polyhedral" áitiúla seo na bacainní fuinnimh, ag soláthar conair trína bhféadfaidh iain litiam taisteal go tapa.

 

"Murab ionann agus gás a shreabhann go saor in umar gáis do charr, atá go bunúsach ina choimeádán folamh, ní mór do litiam "a bhealach isteach i LTO" a throid, nach struchtúr iomlán oscailte é," a mhínigh Wang. "Chun litiam a fháil isteach, athraíonn LTO ó struchtúr amháin go ceann eile. De ghnáth, glacann a leithéid de chlaochlú dhá chéim am, rud a chuireann teorainn leis an gcumas muirearaithe tapa. Mar sin féin, sa chás seo, déantar freastal ar litiam níos tapúla ná mar a bhíothas ag súil leis mar gheall ar shaobhadh áitiúil sa Cruthaíonn struchtúr adamhach LTO níos mó spáis oscailte trínar féidir le litiam dul go héasca. Tarlaíonn na cosáin ardseoltaí seo ag na teorainneacha iomadúla atá ann idir an dá chéim."

 

Ina dhiaidh sin, scrúdóidh na heolaithe na teorainneacha a bhaineann le LTO, amhail giniúint teasa agus cailliúint toillte a bhaineann le rothaíocht ar rátaí arda‖ d'fheidhmchláir fhíora. Trí scrúdú a dhéanamh ar an gcaoi a n-iompraíonn LTO tar éis dó litiam a ionsú agus a scaoileadh arís agus arís eile ag rátaí rothaíochta éagsúla, tá súil acu leigheasanna a fháil ar na saincheisteanna seo. Cuirfidh an t-eolas seo eolas ar fhorbairt ábhar leictreoid atá inmharthana go praiticiúil le haghaidh cadhnraí a ghearrann go tapa.

 

"Shocraigh na hiarrachtaí tras-institiúideacha a chomhcheanglaíonn speictreascópacht in situ, leictriceimic, ríomhaireacht agus teoiric san obair seo múnla chun taighde a dhéanamh amach anseo," a dúirt Zhu.

 

"Táimid ag tnúth le scrúdú níos dlúithe a dhéanamh ar iompar iompair i leictreoidí luchtaithe tapa trí ár gcill leictriceimiceach nua-fhorbartha a fheistiú ar na micreascóip leictreon agus X-gha cumhachtacha ag CFN Brookhaven agus Foinse Solais Synchrotron Náisiúnta II (NSLS-II)," a dúirt Wang. "Trí ghiaráil na n-uirlisí stát-de-aimseartha seo, beidh muid in ann léargas iomlán a fháil ar iompar litiam i struchtúir áitiúla agus mórchóir na samplaí le linn rothaíochta i bhfíor-am agus faoi choinníollacha imoibrithe fíor-domhan."