Исследователи заглядывают в туннели размером с атом в поисках лучшей батареи

Об этом сообщается в Nature Communications.«Были проведены значительные исследования по увеличению плотности энергии и удельной мощности систем литий-ионных батарей», — говорит Реза Шахбазян-Яссар, доцент кафедры машиностроения и промышленного строительства в UIC.По его словам, нынешнее поколение достаточно полезно для портативных устройств, но максимальная энергия и мощность, которые могут быть извлечены, ограничены.«Таким образом, для электромобиля нам нужно увеличить энергию и мощность аккумулятора, а также снизить стоимость», — сказал он.

Его команда, в которую входят сотрудники из Аргоннской национальной лаборатории, Мичиганского технологического института и Университета Бата в Великобритании, сосредоточила свои усилия на разработке катода на основе диоксида марганца, очень недорогого и экологически чистого материала с большой емкостью для хранения.Диоксид марганца имеет решетчатую структуру с регулярно расположенными туннелями, которые позволяют носителям заряда, таким как ионы лития, свободно перемещаться внутрь и наружу.

«Но для того, чтобы туннели продолжали функционировать в течение длительного времени, им нужны опорные конструкции атомного масштаба», — сказал Шахбазян-Яссар. «Мы называем их туннельными стабилизаторами, и они, как правило, представляют собой большие положительные ионы, такие как калий или барий».Но туннельные стабилизаторы, будучи положительно заряженными, как ионы лития, должны отталкивать друг друга.«Если попадет литий, выйдет ли стабилизатор туннеля?» Шахбазян-Яссар пожал плечами. «В исследовательском сообществе возникли разногласия по поводу роли туннельных стабилизаторов во время переноса лития в туннели. Помогает это или вредно?»

Новое исследование представляет собой первое использование электронной микроскопии для визуализации атомной структуры туннелей в одномерном электродном материале, что, по словам исследователей, ранее было невозможно из-за сложности подготовки образцов. Им потребовалось два года, чтобы разработать процедуру поиска туннелей в нанопроволоках диоксида марганца, допированных калием, вплоть до одноатомного уровня.

Ифэй Юань, научный сотрудник, работающий совместно в Аргоннской национальной лаборатории и UIC, и ведущий автор исследования, затем смог использовать мощную технику, называемую сканирующей просвечивающей электронной микроскопией с коррекцией аберраций, для получения изображений туннелей с разрешением до субангстрема, чтобы он мог ясно видеть внутри них — и он видел, что они действительно меняются в присутствии иона-стабилизатора.«Это прямой способ увидеть туннели», — сказал Юань. «И мы увидели, что когда вы добавляете туннельный стабилизатор, туннели расширяются, их электронная структура также изменяется, и такие изменения позволяют ионам лития перемещаться внутрь и наружу вокруг стабилизатора».Открытие показывает, что туннельные стабилизаторы могут помочь в переносе ионов в туннели и скорости заряда и разряда, сказал Шахбазян-Яссар.

Присутствие ионов калия в туннелях улучшает электронную проводимость диоксида марганца и способность ионов лития быстро диффундировать в нанопроволоки и из них.«Поскольку ионы калия остаются в центре туннелей, сохранение емкости увеличивается вдвое при высоком циклическом токе, что означает, что батарея может сохранять свою емкость в течение более длительного времени», — сказал он.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.