«Наша работа была сосредоточена на разработке метода отслеживания структурных и электрохимических изменений в наномасштабе при зарядке материала батареи», — сказал физик из Брукхейвена Джун Ван, руководивший исследованием. Ее группа была особенно заинтересована в химическом картировании того, что происходит с фосфатом лития-железа — материалом, обычно используемым в катоде или положительном электроде аккумуляторных батарей электромобилей — во время зарядки аккумулятора. «Мы хотели уловить и контролировать фазовое превращение, которое происходит в катоде, когда ионы лития перемещаются от катода к аноду», — сказала она.Получение как можно большего количества ионов лития для перемещения от катода к аноду посредством этого процесса, известного как делитирование, является ключом к перезарядке аккумулятора до его максимальной емкости, чтобы он мог обеспечивать питание в течение максимально длительного периода времени. Понимание тонких деталей того, почему это не всегда происходит, в конечном итоге может привести к способам повышения производительности батареи, позволяя электромобилям путешествовать дальше, прежде чем потребуется подзарядка.
Рентгеновские снимки и химические отпечатки пальцевМногие предыдущие методы, использованные для анализа таких материалов батарей, давали данные, усредняющие эффекты по всему электроду. Ван объяснил, что этим методам не хватает пространственного разрешения, необходимого для химического картирования или наноразмерных изображений, и они могут упустить из виду возможные мелкомасштабные эффекты и локальные различия в образце.Чтобы улучшить эти методы, команда Brookhaven использовала комбинацию полнопольной просвечивающей рентгеновской микроскопии с наноразмерным разрешением (TXM) и ближней спектроскопии поглощения рентгеновских лучей (XANES) в Национальном источнике синхротронного света (NSLS), учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США, которое обеспечивает лучи высокоинтенсивного рентгеновского излучения для исследований во многих областях науки.
Эти рентгеновские лучи могут проникать в материал, создавая как изображения с высоким разрешением, так и спектроскопические данные — своего рода электрохимический «отпечаток пальца», который пиксель за пикселем показывает, где ионы лития остаются в материале, где они были удалены, оставив только фосфат железа и другие потенциально интересные электрохимические детали.Ученые использовали эти методы для анализа образцов, состоящих из множества наноразмерных частиц в реальном электроде батареи в рабочих условиях (in operando). Но поскольку в этих образцах может быть много перекрывающихся частиц, они также провели то же самое в исследовании операций с использованием меньшего количества электродного материала, чем в обычной батарее. Это позволило им получить более полное представление о том, как реакция делитирования протекает внутри отдельных частиц без перекрытия.
Они изучили каждую систему (многочастичные и отдельные частицы) при двух разных сценариях зарядки — быстрой (как на станции подзарядки электромобилей) и медленной (используется при подключении вашего автомобиля дома на ночь).Понимание того, почему так важна скорость зарядкиПодробные изображения и спектроскопическая информация открывают беспрецедентное понимание того, почему быстрая зарядка снижает емкость аккумулятора. При высокой скорости зарядки попиксельные изображения показывают, что превращение литиированного фосфата железа в делитированный происходит неоднородно.
То есть в некоторых областях электрода все ионы лития удаляются, остается только фосфат железа, тогда как частицы в других областях вообще не изменяются, сохраняя свои ионы лития. Даже в «полностью заряженном» состоянии некоторые частицы удерживают литий, а емкость электрода значительно ниже максимального уровня.«Это первый раз, когда кто-либо смог увидеть, что делитирование происходит по-разному в разных пространственных точках электрода в условиях быстрой зарядки», — сказал Цзюнь Ван.
Напротив, более медленная зарядка приводит к гомогенному делитированию, когда частицы фосфата лития-железа по всему электроду постепенно превращаются в чистый фосфат железа — и электрод имеет более высокую емкость.Последствия для улучшения конструкции батареиУченые уже давно знают, что медленная зарядка лучше подходит для этого материала, «но люди не хотят заряжать медленно», — сказал Цзяцзюнь Ван, ведущий автор статьи. «Вместо этого мы хотим знать, почему быстрая зарядка дает меньшую емкость. Наши результаты дают подсказки, чтобы объяснить почему, и могут дать отраслевые рекомендации, которые помогут им разработать будущую быструю зарядку / аккумулятор большой емкости», — сказал он.
Например, фазовое превращение может происходить более эффективно в одних частях электрода, чем в других, из-за несоответствий в физической структуре или составе электрода — например, его толщине или пористости. «Поэтому вместо того, чтобы сосредотачиваться только на индивидуальных характеристиках материалов батареи, производители могут захотеть изучить способы подготовки электрода, чтобы все его части были одинаковыми, чтобы в реакции могли участвовать все частицы, а не только некоторые», он сказал.Исследование отдельных частиц также впервые обнаружило сосуществование двух отдельных фаз — литированного фосфата железа и делитированного, или чистого фосфата железа, — в отдельных частицах.
Этот вывод подтверждает одну модель фазового превращения делитирования, а именно то, что оно переходит от одной фазы к другой без существования промежуточной фазы.«Эти открытия создают фундаментальную основу для разработки улучшенных материалов для аккумуляторов», — сказал Цзюнь Ван. «Кроме того, эта работа демонстрирует уникальную возможность применения наноразмерных изображений и спектроскопических методов для понимания материалов батарей со сложным механизмом в реальных условиях эксплуатации батарей».
В документе отмечается, что этот подход in operando может быть применен в других областях, таких как исследования топливных элементов и катализаторов, а также в экологических и биологических науках.Будущие исследования с использованием этих методов в NSLS-II, которые будут давать рентгеновские лучи в 10000 раз ярче, чем в NSLS, будут иметь еще большее разрешение и обеспечат более глубокое понимание физических и электрохимических характеристик этих материалов, что сделает возможным для ученых, чтобы выяснить, как эти свойства влияют на производительность.
Ю-чен Карен Чен-Вигарт также внесла свой вклад в это исследование. Эта работа была поддержана проектом лабораторных исследований и разработок (LDRD) в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Использование NSLS было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США.