Nuacht Tionscail

Íomháú X-gha a úsáid chun Teicneolaíocht Ceallraí Litiam-Sulfair a Fheabhsú

2021-06-16
TOPICS:
Teicneolaíocht Ceallraí, Eolaíocht Ábhar, Fuinneamh Inathnuaite, Saotharlann Luasaire Náisiúnta SLAC
Le MARK SHWARTZ, SLAC LÁTHAIR INNEALTÓIREACHTA NÁISIÚNTA SLAC IÚIL 19, 2012



Úsáideann Johanna Nelson íomháú cumhachtach X-gha chun staidéar a dhéanamh ar chadhnraí litiam-sulfair, teicneolaíocht a bhfuil gealladh fúithi a d’fhéadfadh cumhacht a thabhairt d’fheithiclí leictreacha lá éigin. Ag obair le heolaithe in SLAC agus in Ollscoil Stanford, ghlac Nelson léargas ar mhicreascóp de cháithníní sulfair aonair - an chéad íomháú fíor-ama de cheallraí litiam-sulfair i bhfeidhm. Léirigh staidéir roimhe seo ag baint úsáide as micreascóip leictreon chaighdeánacha go n-imíonn cuid mhór sulfair ón gcatóid tar éis rothaíochta, rud a fhágann go bhfaigheann an ceallraí bás. Ach léirigh foireann Nelson go bhfanann cáithníní sulfair slán den chuid is mó. D’fhéadfadh a dtorthaí cabhrú le heolaithe cadhnraí litiam-sulfair inmharthana go tráchtála a fhorbairt do charranna leictreacha.

“Tá saolré na gcadhnraí litiam-sulfair an-ghearr,” a dúirt Johanna Nelson, scoláire iardhochtúireachta i Saotharlann Luasaire Náisiúnta SLAC in Ollscoil Stanford. “Go praiticiúil, tar éis cúpla deich timthriall gheobhaidh an ceallraí bás, mar sin níl sí inmharthana d’fheithiclí leictreacha, a éilíonn na mílte timthriall thar shaolré 10 nó 20 bliain.”

Is éard atá i gceallraí tipiciúil litiam-sulfair dhá leictreoid - anóid miotail litiam agus catóide carbóin sulfair - timpeallaithe ag sreabhán seoltaí, nó leictrilít. Chuir roinnt staidéir i leith saolré gearr rothaíochta na ceallraí le frithghníomhartha ceimiceacha a ídíonn an catóide sulfair.
Ach tá staidéar le déanaí ag Nelson agus a comhghleacaithe ag ardú amhras faoi bhailíocht turgnaimh roimhe seo. Ag baint úsáide as íomháú X-gha ardchumhachta de cheallraí oibre iarbhír, fuair foireann Stanford-SLAC amach go bhfanann cáithníní sulfair sa chatóid slán den chuid is mó le linn a scaoilte. D’fhéadfadh a dtorthaí, a foilsíodh in Iris Chumann Ceimiceán Mheiriceá (JACS), cabhrú le heolaithe bealaí nua a aimsiú chun cadhnraí litiam-sulfair inmharthana ar bhonn tráchtála a fhorbairt d’fheithiclí leictreacha.

“Bunaithe ar thurgnaimh roimhe seo, bhíomar ag súil go n-imeodh cáithníní sulfair go hiomlán ón gcatóid nuair a scaoilfidh an ceallraí amach,” a dúirt Nelson, príomhúdar an staidéir JACS. “Ar an gcéad dul síos, ní fhaca muid ach athruithe neamhbhríoch i méid na gcáithníní, a mhalairt ar fad a d'aimsigh staidéir roimhe seo.â €

Rinne Nelson agus a comhoibrithe a gcuid turgnaimh ag SLAC ag úsáid dhá theicníc íomháithe chumhachtacha: díraonadh X-gha agus micreascópacht X-gha tarchuir. Chuir an micreascóp X-gha ar chumas na dtaighdeoirí snapshots de nano-cháithníní cáithníní sulfair aonair a thógáil roimh, le linn agus tar éis a scaoilte - an chéad íomháú fíor-ama de cheallraí litiam-sulfair atá i bhfeidhm.

“Is é an bealach caighdeánach chun íomháú ardtaifigh a dhéanamh ná micreascóip leictreon tar éis don cheallraí a bheith scaoilte go páirteach,” a dúirt Nelson. “Ní théann leictreoin isteach go maith ar mhiotal agus ar phlaisteach. Le micreascóp X-gha SLAC, is féidir linn athruithe atá ag tarlú agus an ceallraí ag rith a fheiceáil.

Polaisiúicrídí Pesky

I gcadhnraí litiam-sulfair, gintear sruth leictreach nuair a imoibríonn iain litiam san anóid le cáithníní sulfair ag an gcatóid le linn a scaoilte. Is comhdhúile iad na seachtháirgí san imoibriú ceimiceach seo ar a dtugtar polaisiúicrídí litiam.

Is féidir fadhbanna a bheith ann nuair a sceitheann na polaisiúicrídí isteach sa leictrilít agus nuair a nasctar go buan iad leis an anóid miotail litiam. “Nuair a tharlaíonn sé sin, cailltear an t-ábhar sulfair go léir sna polaisiúicrídí,” a dúirt Nelson. â € œNí athchúrsálfaidh sé go deo. Níor mhaith leat ábhar gníomhach sulfair a chailleadh gach uair a sceitheann an ceallraí. Teastaíonn ceallraí uait ar féidir a rothaíocht arís agus arís eile.â €

Léirigh turgnaimh roimhe seo foirmiú criostail sulfide dilithium (Li2S) le linn na céime scaoilte. “Is féidir le Li2S criostalach agus polaisiúicrídí scannán tanaí a fhoirmiú a choisceann seoladh leictreon agus ian litiam,” a dúirt Nelson. “Feidhmíonn an scannán mar chiseal inslithe a fhágann go bhfaigheann an ceallraí bás.”

Tháirg roinnt staidéir ag baint úsáide as micreascóip leictreon íomhánna de leictreoidí atá brataithe le polaisiúicrídí agus Li2S criostalach, agus catóidí a ídíonn sulfair. Mar thoradh ar na híomhánna sin tháinig taighdeoirí ar an gconclúid go raibh cuid mhaith den sulfair athraithe go ceimiceach go leatháin Li2S-polaisiúicríd a chuir cosc ​​ar an gceallraí oibriú.

Torthaí lochtacha

Ach de réir Nelson agus a comhghleacaithe, bhí cuid de na staidéir roimhe seo lochtach. “Bhí dul amú ar an gcur chuige a bhí á úsáid acu,” a dúirt Nelson. “Go praiticiúil, dhéanfaidís an ceallraí a rothaíocht, a dhíchóimeáil, an leictrilít a ní agus ansin anailís a dhéanamh air le díraonadh X-gha nó le micreascóp leictreon. Ach nuair a dhéanann tú sin, nighfidh tú gach ceann de na polaisiúicrídí atá gafa go scaoilte ar an gcatóid freisin. Mar sin nuair a dhéanann tú íomhá den chatóid, ní fheiceann tú aon speiceas sulfair ar chor ar bith. ”
Ghlac foireann Stanford-SLAC cur chuige difriúil. D'úsáid taighdeoirí an micreascóp X-gha tarchuir ag SLAC chun iliomad íomhánna de cháithníní bídeacha sulfair a thógáil gach cúig nóiméad agus an ceallraí á scaoileadh amach. Bhí gach cáithnín ina chodán de mhéid gráin ghaineamh. Bhí na torthaí soiléir: Choinnigh gach cáithnín a chruth agus a mhéid bunúsach ar feadh an timthrialla scaoilte.

“Bhíomar ag súil go n-imeodh an sulfair go hiomlán agus go gcruthódh sé polaisiúicrídí sa leictrilít,” a dúirt Nelson. “Fuaireamar amach, den chuid is mó, gur fhan na cáithníní san áit a raibh siad agus gur chaill siad fíorbheagán maise. Chruthaigh siad polaisiúicrídí, ach bhí an chuid is mó díobh gafa in aice leis an gcatóid carbóin-sulfair. Níor ghá dúinn an ceallraí a dhíchumadh nó fiú í a stopadh, mar d’fhéadfaimis íomhá a dhéanamh den ábhar sulfair fad a bhí an fheiste ag feidhmiú. ”

Bhí iontas breise ag baint le díraonadh X-gha. “Bunaithe ar thurgnaimh roimhe seo, bhíomar ag súil go mbeadh Li2S criostalach ag deireadh an timthrialla scaoilte,” a dúirt sí. “Ach rinneamar urscaoileadh an-domhain agus ní fhaca muid Li2S ar bith ina staid chriostail.â €

Taighde amach anseo

D’fhéadfadh staidéar Stanford-SLAC bealaí nua taighde a oscailt a d’fhéadfadh feidhmíocht cadhnraí litiam-sulfair a fheabhsú, a dúirt an comhúdar Michael Toney, ceann Rannán na nEolaíochtaí Ábhar ag Lightsource Radaíochta Synchrotron Stanford de chuid SLAC.

“Léiríonn ár staidéar an tábhacht a bhaineann le teicneolaíochtaí X-gha ardchumhachta a úsáid chun staidéar a dhéanamh ar chadhnraí agus iad ag feidhmiú,” a dúirt Toney. “Ó thaobh na hinnealtóireachta de, is fiú a fhios a bheith agat go bhféadfadh torthaí meallta a bheith ag brath ar mhicreascópacht leictreon caighdeánach chun dílseacht ábhar a thástáil.”

Tá roinnt saotharlanna taighde ag lorg bealaí nua chun polaisiúicrídí a ghaisteáil ar an gcatóid. Tá geallúint tugtha ag teicnící éagsúla, lena n-áirítear leictrilítí núíosacha agus nanaibubáin charbóin atá brataithe le sulfair.

Ach b’fhéidir nach mbeadh an fhadhb polaisiúicríd chomh scanrúil agus a thugann staidéir roimhe seo le fios.

“Fuaireamar amach gur fíorbheagán de na polaisiúicrídí a chuaigh isteach sa leictrilít,” a dúirt Nelson. “Ghlac an catóide carbóin-sulfair iad níos fearr ná mar a bhíothas ag súil leis. Ach cuirfidh fiú méid beag polaisiúicrídí faoi deara go dteipfidh ar an gceallraí laistigh de 10 dtimthriall. Más mian le heolaithe saolré na ceallraí a fheabhsú, ní mór dóibh beagnach gach polaisiúicríd a chosc ó sceitheadh ​​isteach sa leictrilít. Más mian leo a fháil amach cad atá ar siúl taobh istigh den cheallraí, ní féidir leo ach anailís chaighdeánach a úsáid. Teastaíonn teicneolaíocht uathu a insíonn an scéal iomlán.â €

Chomh maith le Nelson, is iad comhúdair an staidéir JACS taighdeoir iardhochtúireachta SLAC Sumohan Misra agus mac léinn dochtúireachta Stanford Yuan Yang.

Tá comhúdar an staidéir freisin ag Yi Cui, ollamh comhlach in eolaíocht ábhair agus innealtóireacht ag Stanford agus eolaíocht fótóin ag SLAC; Hongjie Dai, ollamh le ceimic ag Stanford; mic léinn iarchéime Ariel Jackson agus Hailiang Wang as Stanford; agus Joy C. Andrews, eolaí foirne ag SLAC.

Thacaigh an Roinn Fuinnimh, an Roinn Cosanta agus Comhaltacht Iarchéime Stanford leis an taighde.

Is saotharlann náisiúnta é SLAC a oibríonn Stanford don DOE. Rinneadh an staidéar i gcomhar le hInstitiúid Stanford um Eolaíocht Ábhar agus Fuinnimh, comhpháirtíocht taighde Stanford-SLAC.