Этот метод был разработан в Лаборатории Беркли Advanced Light Source, учреждении Управления науки Министерства энергетики США, группой исследователей из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Лаборатории Беркли, Стэнфордского университета и других учреждений.Как сообщается сегодня в журнале Science, ученые использовали подход для изображения частиц батареи микронного размера, когда ионы лития мигрируют внутрь и из частиц.
Изображения отражают эволюцию химического состава частиц и скорости реакции с наномасштабным пространственным разрешением и поминутным временным разрешением.Среди результатов ученые обнаружили, что процесс зарядки не происходит равномерно на поверхности частицы, что, вероятно, со временем снижает производительность аккумулятора. Эта и другие идеи, полученные с помощью метода визуализации, могут помочь исследователям улучшить аккумуляторы для электромобилей, а также смартфонов, ноутбуков и других устройств.
«Разработанная нами платформа позволяет нам отображать динамику батареи на мезоуровне, который составляет от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров», — говорит Уилл Чуэ, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и доцент. материаловедения инженер в Стэнфордском университете, который руководил исследованием.«Это очень сложная шкала длины для изображения в работающей батарее, но она критически важна, потому что это шкала, которая контролирует фундаментальные процессы, связанные с деградацией батареи и временем перезарядки», — говорит Чуэ.
Сила рентгеновских лучейУченые разработали платформу Advanced Light Source, которая излучает свет в рентгеновской области электромагнитного спектра.
Этот метод был реализован на двух линиях пучка, которые обеспечивают высокопроизводительную сканирующую просвечивающую рентгеновскую микроскопию (STXM), в которой чрезвычайно яркий рентгеновский луч фокусируется на небольшом пятне.Их специально разработанная «платформа жидкого электрохимического STXM наноизображения» использует мягкие рентгеновские лучи установки для изображения частиц фосфата лития-железа, когда они заряжаются (делитат) и разряжаются (литиат) в жидком электролите.
Их экспериментальная установка может одновременно отображать около тридцати частиц.В реальной батарее тысячи этих частиц образуют электрод, и положительно заряженные ионы лития внедряются в электрод по мере зарядки батареи. В идеале ионы равномерно вводятся по поверхности электрода.
Но такое случается редко, особенно по мере старения аккумулятора, что негативно сказывается на производительности.«Теперь у нас есть способ изучить этот процесс в реальном времени в том масштабе, в котором он происходит, что поможет ученым лучше понять процесс и, возможно, оптимизировать его», — говорит Дэвид Шапиро, физик из Advanced Light Source, который помог Чуэ разработать метод. на объекте.«Наша платформа на основе STXM дает возможность отображать эти электрохимические изменения в пределах одной частицы батареи», — добавляет Шапиро. «И он предлагает разрешение в реальном времени, необходимое для отображения изменений в химическом составе частиц и плотности тока в масштабе субчастиц, когда частицы литиируются и делитируются».
Ранее Чуэ и другие ученые использовали просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) для изучения работающих батарей на наноуровне. Подход предлагает очень хорошее пространственное разрешение. Но рентгеновская микроскопия может отображать более широкое поле зрения и более толстые материалы, чем ПЭМ, а это означает, что она может изучать материалы, которые больше напоминают реальные батареи.
Кроме того, рентгеновская микроскопия обеспечивает очень высокую химическую специфичность.Шапиро и его коллеги сейчас создают еще более мощные рентгеновские микроскопы на базе Advanced Light Source, чтобы улучшить пространственное разрешение платформы в десять раз.
Это позволит исследователям изучать частицы батареи, размер которых намного меньше одного микрона. Известно, что более мелкие частицы работают лучше, чем более крупные, но ученые не до конца понимают, почему.
«Сейчас мы работаем над достижением пространственного разрешения, приближающегося к длине волны мягкого рентгеновского излучения, от одного до пяти нанометров, с помощью наших рентгеновских микроскопов», — говорит Шапиро. «Это позволит нам отображать химические фазы внутри мельчайших доступных частиц, часто размером менее 100 нанометров, и при этом даст нам проникающую способность для изучения больших объемов материала, таких как тысячи частиц батареи. Цель состоит в том, чтобы получить изображение функциональные батареи с нанометровым разрешением с помощью рентгеновской микроскопии ».