Хотя технология аккумуляторов прошла долгий путь с тех пор, как Алессандро Вольта впервые сложил металлические диски в «гальваническую кучу» для выработки электричества, все еще необходимы серьезные улучшения для решения энергетических задач будущего, таких как энергоснабжение электромобилей и дешевое хранение возобновляемой энергии и эффективно.Ключ к необходимым улучшениям, вероятно, лежит в наномасштабе, сказал Цзянью Ли, профессор машиностроения Вашингтонского университета в Сиэтле. Наноразмер — это область настолько крошечная, что движение нескольких атомов или молекул может изменить ландшафт.
Ли и его коллеги построили новое окно в этот мир, чтобы помочь ученым лучше понять, как на самом деле работают батареи. Они описывают свой наноразмерный зонд в Журнале прикладной физики от AIP Publishing.
Батареи и близкие к ним топливные элементы вырабатывают электричество в результате химических реакций. Скорость, с которой происходят эти реакции, определяет, насколько быстро аккумулятор может заряжаться, сколько энергии он может обеспечить и как быстро он разряжается.Хотя материал электрода батареи может выглядеть одинаково для человеческого глаза, для самих атомов окружающая среда удивительно разнообразна.Вблизи поверхности и на границах раздела между материалами могут происходить огромные сдвиги в свойствах, которые могут влиять на скорость реакции сложным и трудным для понимания образом.
По словам Ли, исследования, проведенные за последние десять-пятнадцать лет, показали, насколько местные различия в свойствах материалов могут повлиять на работу батарей и других электрохимических систем.Сложный наноразмерный ландшафт затрудняет полное понимание того, что происходит, но «он также может создать новые возможности для разработки свойств материалов, чтобы добиться качественного скачка в производительности», — сказал он.Чтобы лучше понять, как протекают химические реакции на уровне атомов и молекул, Ли и его коллеги разработали наноразмерный зонд. Метод похож на атомно-силовую микроскопию: крошечный кантилевер «чувствует» материал и строит карту его свойств с разрешением нанометров или меньше.
В случае нового электрохимического зонда кантилевер нагревается электрическим током, вызывая колебания температуры и локализованное напряжение в материале под зондом. В результате атомы и ионы внутри материала перемещаются, заставляя его расширяться и сжиматься. Это расширение и сжатие вызывает вибрацию кантилевера, которую можно точно измерить с помощью лазерного луча, падающего на верхнюю часть кантилевера.Если вблизи наконечника зонда имеется большая концентрация ионов или других заряженных частиц, изменение их концентрации приведет к дальнейшей деформации материала, подобно тому, как дерево набухает при намокании.
Деформация называется деформацией Вегарда.И деформация Вегарда, и стандартное тепловое расширение влияют на вибрацию материала, но по-разному.
Если бы вибрации были подобны музыкальным нотам, термически индуцированная деформация Вегарда подобна гармоническому обертону, который звучит на октаву выше, чем играемая нота, объяснил Ли.Устройство определяет вибрации, вызванные деформацией Вегарда, и может экстраполировать концентрацию ионов и электронных дефектов около наконечника зонда.
Этот подход имеет преимущества по сравнению с другими типами атомной микроскопии, в которых для генерации отклика используются возмущения напряжения, поскольку напряжение может вызывать множество различных типов откликов, и трудно выделить часть отклика, относящуюся к сдвигам в концентрации ионных и электронных дефектов. Тепловые отклики легче идентифицировать, хотя одним из недостатков новой системы является то, что она может измерять только скорости медленнее, чем процессы теплопередачи в непосредственной близости от наконечника.
Тем не менее, команда считает, что новый метод предложит исследователям ценный инструмент для изучения электрохимических свойств материалов на наномасштабе. Они проверили его, измерив концентрацию заряженных частиц в церии, легированном Sm, и LiFePO4, важных материалах в твердооксидных топливных элементах и литиевых батареях, соответственно.
«Концентрация ионных и электронных частиц часто связана с важными скоростными характеристиками электрохимических материалов, такими как поверхностные реакции, межфазный перенос заряда, а также объемная и поверхностная диффузия, которые определяют производительность устройства», — сказал Ли. «Измеряя эти свойства локально в наномасштабе, мы можем лучше понять, как на самом деле работают электрохимические системы, и, таким образом, как разрабатывать новые материалы с гораздо более высокими характеристиками».