Nuacht Tionscail

Cadhnraí Litiam-ian Níos Fearr is Féidir Le Radharc Móilíneach Nanoscale ar Struchtúr Féin-Thionóil

2021-06-16
TOPICS:
Ceallraí, Teicneolaíocht, DOE, Innealtóireacht Leictreach, Litiam-ian, Nanaitheicneolaíocht, Saotharlann Náisiúnta an Aigéin Chiúin Thiar Thuaidh, S.A. Saotharlann Taighde Airm
Le DOE / PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY FEBRUARY 6, 2020



Luchtaíonn eolaithe ceallraí litiam-ian atá deartha go speisialta i mais-speictriméadar ian tánaisteach a ligeann dóibh foirmiú an idirphase soladach-leictrilít a fheiceáil ag an leibhéal móilíneach fad a oibríonn an ceallraí. Creidmheas: Andrea Starr / PNNL

Foghlaimíonn Eolaithe Níos Mó faoi na Chéad Uaireanta i Saol Battery Litiam-ian

Is iad na chéad uaireanta an chloig de shaol ceallraí litiam-ian a chinneann den chuid is mó cé chomh maith agus a fheidhmeoidh sé. Sna chuimhneacháin sin, féachann sraith de mhóilíní le chéile i struchtúr taobh istigh den cheallraí a rachaidh i bhfeidhm ar an gceallraí ar feadh blianta atá le teacht.



Is céim ríthábhachtach í an t-eolas níos mó a fháil ar an SEI chun cadhnraí litiam-ian níos fuinniúla, níos fadtéarmaí agus níos sábháilte a chruthú.

Rinne foireann idirnáisiúnta eolaithe an obair, a foilsíodh an 27 Eanáir 2020, i Nanaitheicneolaíocht an Dúlra, faoi stiúir taighdeoirí i Saotharlann Náisiúnta an Aigéin Chiúin Thiar Thuaidh na Roinne Fuinnimh agus i Saotharlann Taighde Airm na S.A. I measc na n-údar comhfhreagrach tá Zihua Zhu, Chongmin Wang agus Zhijie Xu de PNNL agus Kang Xu de Shaotharlann Taighde Airm na S.A.

Cén fáth a n-oibríonn cadhnraí litiam-ian ar chor ar bith: an SEI

Scannán an-tanaí d’ábhar nach bhfuil ann nuair a thógtar ceallraí den chéad uair is ea an t-idirphase soladach leictrilít. Ní dhéantar móilíní a chomhiomlánú agus a imoibriú go leictreamaice chun an struchtúr a fhoirmiú ach amháin nuair a ghearrtar an ceallraí den chéad uair, a fheidhmíonn mar gheata a ligeann d'iain litiam pas a fháil anonn 's anall idir an anóid agus an catóide. Go ríthábhachtach, cuireann an SEI iallach ar leictreoin detour a thógáil, a choinníonn an ceallraí ag feidhmiú agus a fhágann gur féidir fuinneamh a stóráil.

Tá sé mar gheall ar an SEI go bhfuil cadhnraí litiam-ian againn ar chor ar bith chun cumhacht a thabhairt dár bhfóin phóca, ríomhairí glúine agus feithiclí leictreacha.



Tá cadhnraí litiam-ian a chruthú a mhaireann níos faide, níos sábháilte agus níos fuinniúla ard ar liosta na dtosaíochtaí d’eolaithe PNNL. Tá na cadhnraí uileláithreach inniu - i gcarranna leictreacha, ríomhairí glúine, uirlisí agus teileafóin phóca.

Ach ní mór d’eolaithe níos mó eolais a fháil faoin struchtúr geata seo. Cad iad na tosca a scarann ​​na glitterati ón riffraff i gceallraí litiam-ian? Cad iad na ceimiceáin a chaithfear a áireamh sa leictrilít, agus cad iad na tiúchain, chun go bhféadfaidh na móilíní iad féin a fhoirmiú sna struchtúir SEI is úsáidí ionas nach sopfaidh siad móilíní ón leictrilít go leanúnach, ag gortú feidhmíochta ceallraí?

Oibríonn eolaithe le comhábhair éagsúla, ag tuar conas a chomhcheanglóidh siad chun an struchtúr is fearr a chruthú. Ach gan níos mó eolais a fháil faoin gcaoi a gcruthaítear an t-idirphase soladach-leictrilít, tá eolaithe cosúil le príomhchócaire ag juggling comhábhair, ag obair le leabhair chócaireachta nach bhfuil ach cuid díobh scríofa.

Cadhnraí litiam-ian a iniúchadh le teicneolaíocht nua

Le cuidiú le heolaithe tuiscint níos fearr a fháil ar an SEI, d’úsáid an fhoireann teicneolaíocht phaitinnithe PNNL chun anailís a dhéanamh ar an struchtúr mar a cruthaíodh é. D'úsáid eolaithe bhíoma ian fuinniúil chun tollán a dhéanamh i SEI a bhí díreach i bhfoirm ceallraí oibriúcháin, ag seoladh cuid den ábhar san aer agus á ghabháil le haghaidh anailíse agus iad ag brath ar theannas dromchla chun cuidiú leis an leictrilít leachtach a bheith ann. Ansin rinne an fhoireann anailís ar na comhpháirteanna SEI ag úsáid mais-speictriméadar.

Lig an cur chuige paitinnithe, ar a dtugtar mais-speictriméadracht ian tánaisteach leachtach in situ nó SIMS leachtach, don fhoireann léargas gan fasach a fháil ar an SEI agus í ag cruthú agus ag cruthú fadhbanna taobh le ceallraí litiam-ian oibre. Chruthaigh foireann faoi stiúir Zhu an teicneolaíocht, ag tógáil ar obair SIMS roimhe seo ag a chomhghleacaí PNNL, Xiao-Ying Yu.

“Tugann ár dteicneolaíocht tuiscint láidir eolaíoch dúinn ar an ngníomhaíocht mhóilíneach sa struchtúr casta seo,” a dúirt Zhu. “D’fhéadfadh na torthaí cabhrú le daoine eile ceimic an leictrilít agus na leictreoidí a chur in oiriúint chun cadhnraí níos fearr a dhéanamh.”

Comhoibríonn taighdeoirí Arm na SA agus PNNL

Bhí baint ag an bhfoireann PNNL le Kang Xu, ball taighde le Saotharlann Taighde Airm na SA agus saineolaí ar leictrilít agus an SEI, agus le chéile chuaigh siad i ngleic leis an gceist.

Dheimhnigh na heolaithe an rud a raibh amhras ar thaighdeoirí ann - go bhfuil dhá shraith ag an SEI. Ach chuaigh an fhoireann i bhfad níos faide, ag sonrú comhdhéanamh beacht ceimiceach gach sraithe agus ag socrú na gcéimeanna ceimiceacha a tharlaíonn i gceallraí chun an struchtúr a chur i gcrích.



Tá Zihua Zhu agus Chongmin Wang mar chuid den fhoireann a d’fhoghlaim faisnéis ríthábhachtach nua faoi phríomhchuid de chadhnraí litiam-ian a chruthú. Creidmheas: Andrea Starr / PNNL

Fuair ​​an fhoireann go bhfuil sraith amháin den struchtúr, in aice leis an anóid, tanaí ach dlúth; is é seo an ciseal a athdhéanann leictreoin ach a ligeann d’iain litiam pas a fháil. Tá an ciseal seachtrach, díreach in aice leis an leictrilít, níos tibhe agus déanann sé idirghníomhaíochtaí idir an leacht agus an chuid eile den SEI. Tá an ciseal istigh rud beag níos deacra agus tá an taobh amuigh níos leachtach, rud beag cosúil leis an difríocht idir min choirce tearc-chócaráilte agus ró-chócaráilte.

Ról fluairíd litiam

Toradh amháin ar an staidéar is ea tuiscint níos fearr ar ról fluairíd litiam sa leictrilít a úsáidtear i gcadhnraí litiam-ian. Tá sé léirithe ag roinnt taighdeoirí, lena n-áirítear Kang Xu, go n-éiríonn níos fearr le cadhnraí le SEIanna níos saibhre i fluairíd litiam. Léirigh an fhoireann an chaoi a dtagann fluairíd litiam mar chuid de chiseal istigh an SEI, agus tugann na torthaí leideanna maidir le conas níos mó fluairín a ionchorprú sa struchtúr.

“Leis an teicníc seo, foghlaimíonn tú ní amháin na móilíní atá i láthair ach freisin an chaoi a bhfuil siad struchtúrtha,” a deir Wang. “Áilleacht na teicneolaíochta seo.”



Léaráid den teicneolaíocht leachtach SIMS a d'úsáid eolaithe chun níos mó a fhoghlaim faoi chadhnraí litiam-ian. Úsáideann eolaithe bhíoma ian fuinniúil (buí) chun tollán a dhéanamh tríd an anóid (oráiste), atá ceangailte faoi membrane tanaí nítríde sileacain. Nuair a bhuaileann an bhíoma an comhéadan leictreoid-leictrilít ina bhfoirmíonn an t-idirphase soladach-leictrilít (SEI), éiríonn a móilíní san aer agus bíonn siad ar fáil le haghaidh anailíse ag mais-speictriméadar. Tá an cró chomh cúng go gcuireann teannas dromchla cosc ​​ar an leictrilít scaipeadh amach. Creidmheas: Léaráid le caoinchead Litreacha Journal of Physical Chemistry, 1 Eanáir, 2019. Cóipcheart 2019 American Chemical Society.

Tagairt: “Tréithriú mais-speictriméadrach ama-ama ar an idirphase leictrilít de cheallraí litiam-ian” le Yufan Zhou, Mao Su, Xiaofei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer, ​​Yingge Du, Oleg Borodin, Yanting Wang, Xue-Lin Wang, Kang Xu, Zhijie Xu, Chongmin Wang agus Zihua Zhu, 27 Eanáir 2020, Nanaitheicneolaíocht an Dúlra.
DOI: 10.1038 / s41565-019-0618-4

Mhaoinigh PNNL, Oifig um Éifeachtúlacht Fuinnimh agus Fuinneamh In-athnuaite DOE, Oifig Teicneolaíochtaí Feithicle agus Fuinnimh In-athnuaite an DOE, agus an Comhar um Chomhoibriú Fuinnimh In-athnuaite na SA ar Stóráil Fuinnimh. Mhaoinigh Comh-Ionad um Thaighde Stórála Fuinnimh DOE obair Kang Xu. Rinneadh an anailís leachtach SIMS ag EMSL, Saotharlann na nEolaíochtaí Móilíneacha Comhshaoil, saoráid úsáideora de chuid Oifig Eolaíochta an DOE atá lonnaithe ag PNNL.

Chomh maith le Xu, Wang agus Zhu, tá údair PNNL ina measc Yufan Zhou, Mao Su, Xiafei Yu, Yanyan Zhang, Jun-Gang Wang, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Wu Xu, Donald R. Baer, ​​agus Yingge Du.