Όταν τα ιόντα λιθίου ρέουν μέσα και έξω από ένα ηλεκτρόδιο μπαταρίας κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, ένα μικρό κομμάτι οξυγόνου διαρρέει και η τάση της μπαταρίας&# 39 - ένα μέτρο της ενέργειας που αποδίδει - εξασθενίζει ένα εξίσου μικρό. Οι απώλειες αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου και μπορεί τελικά να αποδυναμώσει την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας της μπαταρίας&κατά 10-15%.
Τώρα οι ερευνητές έχουν μετρήσει αυτήν την εξαιρετικά αργή διαδικασία με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια, δείχνοντας πώς οι τρύπες, ή κενά, που αφήνονται με διαφυγή ατόμων οξυγόνου αλλάζουν τη δομή και τη χημεία του ηλεκτροδίου&# 39 και μειώνουν σταδιακά πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκεύσει.
Τα αποτελέσματα έρχονται σε αντίθεση με ορισμένες από τις υποθέσεις που είχαν κάνει οι επιστήμονες σχετικά με αυτήν τη διαδικασία και θα μπορούσαν να προτείνουν νέους τρόπους μηχανικής ηλεκτροδίων για να την αποτρέψουν.
Η ερευνητική ομάδα από το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC του Τμήματος Ενέργειας και το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ περιέγραψαν τη δουλειά τους στο Nature Energy σήμερα.
& quot; Καταφέραμε να μετρήσουμε έναν πολύ μικρό βαθμό οξυγόνου που πέφτει, τόσο αργά, σε εκατοντάδες κύκλους," είπε ο Peter Csernica, φοιτητής διδακτορικού στο Στάνφορντ που εργάστηκε στα πειράματα με τον Αναπληρωτή Καθηγητή Will Chueh." Το γεγονός ότι είναι τόσο αργό είναι και αυτό που έκανε δύσκολο να εντοπιστεί."
Αμφίδρομη κουνιστή καρέκλα
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου λειτουργούν σαν μια κουνιστή καρέκλα, μετακινώντας ιόντα λιθίου μπρος-πίσω ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια που αποθηκεύουν προσωρινά το φορτίο. Στην ιδανική περίπτωση, αυτά τα ιόντα είναι τα μόνα πράγματα που κινούνται μέσα και έξω από τα δισεκατομμύρια νανοσωματίδια που απαρτίζουν κάθε ηλεκτρόδιο. Αλλά οι ερευνητές γνωρίζουν εδώ και αρκετό καιρό ότι άτομα οξυγόνου διαρρέουν από τα σωματίδια καθώς το λίθιο κινείται μπρος-πίσω. Οι λεπτομέρειες ήταν δύσκολο να εντοπιστούν επειδή τα σήματα από αυτές τις διαρροές είναι πολύ μικρά για άμεση μέτρηση.
& quot; Η συνολική ποσότητα διαρροής οξυγόνου, πάνω από 500 κύκλοι φόρτισης και εκφόρτισης μπαταρίας, είναι 6%," Η Τσερσίνικα είπε." Αυτός δεν είναι τόσο μικρός αριθμός, αλλά αν προσπαθήσετε να μετρήσετε την ποσότητα οξυγόνου που βγαίνει κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, είναι περίπου το ένα εκατοστό των ένα τοις εκατό."
Σε αυτήν τη μελέτη, οι ερευνητές μέτρησαν τη διαρροή έμμεσα αντ 'αυτού, εξετάζοντας πώς η απώλεια οξυγόνου τροποποιεί τη χημεία και τη δομή των σωματιδίων. Παρακολούθησαν τη διαδικασία σε διάφορες κλίμακες μήκους - από τα μικροσκοπικά νανοσωματίδια έως τις συστάδες νανοσωματιδίων έως το πλήρες πάχος ενός ηλεκτροδίου.
Επειδή είναι πολύ δύσκολο για τα άτομα οξυγόνου να κινούνται σε στερεά υλικά σε θερμοκρασίες όπου λειτουργούν οι μπαταρίες, η συμβατική σοφία ήταν ότι οι διαρροές οξυγόνου προέρχονται μόνο από τις επιφάνειες των νανοσωματιδίων, είπε ο Chueh, αν και αυτό έχει ήρθε για συζήτηση.
Για να ρίξετε μια πιο προσεκτική ματιά στο τι συμβαίνει &, η ερευνητική ομάδα έκανε κύκλους μπαταριών για διαφορετικά χρονικά διαστήματα, τις χώρισε και έκοψε τα νανοσωματίδια ηλεκτροδίων για λεπτομερή εξέταση στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley' s Προηγμένη πηγή φωτός. Εκεί, ένα εξειδικευμένο μικροσκόπιο ακτίνων Χ σαρώθηκε στα δείγματα, κάνοντας εικόνες υψηλής ανάλυσης και ανιχνεύοντας τη χημική σύνθεση κάθε μικροσκοπικού σημείου. Αυτές οι πληροφορίες συνδυάστηκαν με μια υπολογιστική τεχνική που ονομάζεται ptychography για να αποκαλύψει λεπτομέρειες νανοκλίμακας, μετρούμενες σε δισεκατομμυριοστά του μέτρου.
Εν τω μεταξύ, στην πηγή φωτός του Stanford Synchrotron του SLAC &, η ομάδα πυροβόλησε ακτίνες Χ σε ολόκληρα ηλεκτρόδια για να επιβεβαιώσει ότι αυτό που έβλεπαν σε επίπεδο νανοκλίμακας ήταν επίσης αλήθεια σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα.
Μια έκρηξη, μετά μια στάλα
Συγκρίνοντας τα πειραματικά αποτελέσματα με μοντέλα υπολογιστών για το πώς μπορεί να συμβεί απώλεια οξυγόνου, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι μια αρχική έκρηξη οξυγόνου διαφεύγει από τις επιφάνειες των σωματιδίων, ακολουθούμενη από μια πολύ αργή στάλα από το εσωτερικό. Όταν τα νανοσωματίδια κολλήθηκαν μαζί για να σχηματίσουν μεγαλύτερες συστάδες, εκείνα που βρίσκονται κοντά στο κέντρο της συστάδας έχασαν λιγότερο οξυγόνο από εκείνα που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια.
Μια άλλη σημαντική ερώτηση, είπε ο Chueh, είναι πώς η απώλεια ατόμων οξυγόνου επηρεάζει το υλικό που άφησαν πίσω.&«Αυτό&# 39 είναι πραγματικά ένα μεγάλο μυστήριο," αυτός είπε." Φανταστείτε τα άτομα στα νανοσωματίδια να μοιάζουν με σφαίρες κλειστές. Εάν συνεχίζετε να βγάζετε άτομα οξυγόνου, το όλο πράγμα θα μπορούσε να καταρρεύσει και να συμπυκνωθεί, επειδή η δομή του αρέσει να παραμένει γεμάτη."
Δεδομένου ότι αυτή η πτυχή της δομής του ηλεκτροδίου&δεν μπορούσε να απεικονιστεί άμεσα, οι επιστήμονες συνέκριναν και πάλι άλλους τύπους πειραματικών παρατηρήσεων με μοντέλα υπολογιστών διαφόρων σεναρίων απώλειας οξυγόνου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι κενές θέσεις παραμένουν - το υλικό δεν καταρρέει και συμπυκνώνεται - και υποδηλώνουν πώς συμβάλλουν στη σταδιακή πτώση της μπαταρίας&# 39.
& quot; Όταν φεύγουν οξυγόνο, μεταναστεύουν άτομα γύρω από το μαγγάνιο, το νικέλιο και το κοβάλτιο. Όλα τα άτομα χορεύουν από τις ιδανικές τους θέσεις," Ο Τσούι είπε." Αυτή η αναδιάταξη μεταλλικών ιόντων, μαζί με τις χημικές αλλαγές που προκαλούνται από το έλλειμμα οξυγόνου, υποβαθμίζει την τάση και την απόδοση της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου. Οι άνθρωποι γνωρίζουν πτυχές αυτού του φαινομένου για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά ο μηχανισμός ήταν ασαφής."
Τώρα, είπε,&«έχουμε αυτήν την επιστημονική κατανόηση από κάτω προς τα πάνω &». αυτής της σημαντικής πηγής υποβάθμισης της μπαταρίας, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους μετριασμού της απώλειας οξυγόνου και των επιβλαβών συνεπειών του.
