Nanotechnology Now - Press Release: Previously Unknown Pathway To Batteries With High Energy, Low Cost And Long Life: Newly Discovered Reaction Mechanism Overcomes Rapid Performance Decline In Lithium-sulfur Batteries

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Αρχική > Τύπος > Προηγουμένως άγνωστη διαδρομή προς μπαταρίες με υψηλή ενέργεια, χαμηλό κόστος και μεγάλη διάρκεια ζωής: Ο νέος μηχανισμός αντίδρασης που ανακαλύφθηκε ξεπερνά την ταχεία πτώση της απόδοσης στις μπαταρίες λιθίου-θείου

Διαφορετικές πορείες αντίδρασης από πολυσουλφίδιο λιθίου (LiXNUMXSXNUMX) έως θειούχο λίθιο (LiXNUMXS) σε μπαταρίες λιθίου-θείου με (αριστερά) και χωρίς (δεξιά) καταλύτη σε κάθοδο θείου. ΠΙΣΤΩΣΗ
(Εικόνα από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne.)

Περίληψη:
Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν εκπληκτικό μονοπάτι για καλύτερες μπαταρίες λιθίου-θείου οπτικοποιώντας αντιδράσεις σε ατομική κλίμακα.

Προηγουμένως άγνωστη διαδρομή προς μπαταρίες με υψηλή ενέργεια, χαμηλό κόστος και μεγάλη διάρκεια ζωής: Ο νέος μηχανισμός αντίδρασης που ανακαλύφθηκε ξεπερνά την ταχεία πτώση της απόδοσης στις μπαταρίες λιθίου-θείου

Lemont, IL | Δημοσιεύτηκε στις 8 Σεπτεμβρίου 2023

Ο δρόμος από την ανακάλυψη στο εργαστήριο στην πρακτική τεχνολογία μπορεί να είναι μακρύς και ανώμαλος. Η μπαταρία λιθίου-θείου είναι ένα παράδειγμα. Έχει αξιοσημείωτα πλεονεκτήματα σε σχέση με τις τρέχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου που τροφοδοτούν οχήματα. Ωστόσο, δεν έχει ακόμη χτυπήσει την αγορά παρά την έντονη ανάπτυξη εδώ και πολλά χρόνια.

Αυτή η κατάσταση θα μπορούσε να αλλάξει στο μέλλον χάρη στις προσπάθειες επιστημόνων στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE). Την τελευταία δεκαετία, έχουν κάνει αρκετές κρίσιμες ανακαλύψεις που σχετίζονται με μπαταρίες λιθίου-θείου. Η πιο πρόσφατη αποκάλυψή τους, που δημοσιεύτηκε στο Nature, ξεκλειδώνει έναν προηγουμένως άγνωστο μηχανισμό αντίδρασης που αντιμετωπίζει ένα σημαντικό μειονέκτημα - την πολύ μικρή διάρκεια ζωής των μπαταριών.

Ο Gui-Liang Xu, χημικός στο τμήμα Χημικών Επιστημών και Μηχανικής του Argonne, δήλωσε ότι "Οι προσπάθειες της ομάδας μας θα μπορούσαν να φέρουν τις ΗΠΑ ένα μεγάλο βήμα πιο κοντά σε ένα πιο πράσινο και πιο βιώσιμο τοπίο μεταφορών."

Οι μπαταρίες λιθίου-θείου προσφέρουν τρία σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις τρέχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Πρώτον, μπορούν να αποθηκεύσουν δύο έως τρεις φορές περισσότερη ενέργεια σε έναν δεδομένο όγκο, με αποτέλεσμα μεγαλύτερες αποστάσεις οχημάτων. Δεύτερον, το χαμηλότερο κόστος τους, που διευκολύνεται από την αφθονία και την οικονομική προσιτότητα του θείου, τα καθιστά οικονομικά βιώσιμα. Τέλος, αυτές οι μπαταρίες δεν βασίζονται σε κρίσιμους πόρους όπως το κοβάλτιο και το νικέλιο, που ενδέχεται να αντιμετωπίσουν ελλείψεις στο μέλλον.

Παρά τα οφέλη αυτά, η μετάβαση από την εργαστηριακή επιτυχία στην εμπορική βιωσιμότητα έχει αποδειχτεί άπιαστη. Τα εργαστηριακά κύτταρα έχουν δείξει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα, αλλά όταν κλιμακώνονται στο εμπορικό μέγεθος, η απόδοσή τους μειώνεται γρήγορα με επαναλαμβανόμενη φόρτιση και εκφόρτιση.

Η υποκείμενη αιτία αυτής της μείωσης της απόδοσης έγκειται στη διάλυση του θείου από την κάθοδο κατά την εκφόρτωση, που οδηγεί στο σχηματισμό διαλυτών πολυσουλφιδίων λιθίου (Li2S6). Αυτές οι ενώσεις ρέουν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο μετάλλου λιθίου (άνοδος) κατά τη φόρτιση, επιδεινώνοντας περαιτέρω το πρόβλημα. Κατά συνέπεια, η απώλεια θείου από την κάθοδο και οι αλλοιώσεις στη σύνθεση της ανόδου εμποδίζουν σημαντικά την απόδοση της μπαταρίας κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης.

Σε μια πρόσφατη προηγούμενη μελέτη, οι επιστήμονες του Argonne ανέπτυξαν ένα καταλυτικό υλικό που, όταν προστέθηκε σε μικρή ποσότητα στην κάθοδο του θείου, ουσιαστικά εξαλείφει το πρόβλημα απώλειας θείου. Ενώ αυτός ο καταλύτης έδειξε πολλά υποσχόμενος τόσο σε εργαστηριακά όσο και σε κύτταρα εμπορικού μεγέθους, ο μηχανισμός λειτουργίας του σε ατομική κλίμακα παρέμενε αίνιγμα μέχρι τώρα.

Η πιο πρόσφατη έρευνα της ομάδας έριξε φως σε αυτόν τον μηχανισμό. Απουσία του καταλύτη, σχηματίζονται πολυσουλφίδια λιθίου στην επιφάνεια της καθόδου και υφίστανται μια σειρά αντιδράσεων, μετατρέποντας τελικά την κάθοδο σε θειούχο λίθιο (Li2S).

«Αλλά η παρουσία μιας μικρής ποσότητας καταλύτη στην κάθοδο κάνει όλη τη διαφορά», είπε ο Xu. "Ακολουθεί μια πολύ διαφορετική οδός αντίδρασης, χωρίς ενδιάμεσα βήματα αντίδρασης."

Βασικό είναι ο σχηματισμός πυκνών φυσαλίδων νανοκλίμακας πολυσουλφιδίων λιθίου στην επιφάνεια της καθόδου, οι οποίες δεν εμφανίζονται χωρίς τον καταλύτη. Αυτά τα πολυσουλφίδια λιθίου εξαπλώνονται γρήγορα σε όλη τη δομή της καθόδου κατά την εκφόρτωση και μετατρέπονται σε θειούχο λίθιο που αποτελείται από κρυσταλλίτες νανοκλίμακας. Αυτή η διαδικασία αποτρέπει την απώλεια θείου και την πτώση της απόδοσης σε κυψέλες εμπορικού μεγέθους.

Ξεκλειδώνοντας αυτό το μαύρο κουτί γύρω από τον μηχανισμό αντίδρασης, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τεχνικές χαρακτηρισμού αιχμής. Οι αναλύσεις της δομής του καταλύτη με τις έντονες δέσμες ακτίνων Χ σύγχροτρον στη γραμμή δέσμης 20-BM του Advanced Photon Source, μιας εγκατάστασης χρήστη του DOE Office of Science, αποκάλυψαν ότι παίζει κρίσιμο ρόλο στην οδό αντίδρασης. Η δομή του καταλύτη επηρεάζει το σχήμα και τη σύνθεση του τελικού προϊόντος κατά την απόρριψη, καθώς και των ενδιάμεσων προϊόντων. Με τον καταλύτη, σχηματίζεται νανοκρυσταλλικό θειούχο λίθιο κατά την πλήρη εκφόρτιση. Χωρίς τον καταλύτη, σχηματίζονται δομές σε σχήμα ράβδου σε μικροκλίμακα.

«Οι προσπάθειες της ομάδας μας θα μπορούσαν να φέρουν τις ΗΠΑ ένα μεγάλο βήμα πιο κοντά σε ένα πιο πράσινο και πιο βιώσιμο τοπίο μεταφορών». — Gui-Liang Xu, χημικός στο τμήμα Χημικών Επιστημών και Μηχανικής του Argonne

Μια άλλη ζωτικής σημασίας τεχνική, που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο Xiamen, επέτρεψε στην ομάδα να οπτικοποιήσει τη διεπαφή ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη σε νανοκλίμακα ενώ λειτουργούσε μια δοκιμαστική κυψέλη. Αυτή η πρόσφατα εφευρεθείσα τεχνική βοήθησε στη σύνδεση των αλλαγών σε νανοκλίμακα με τη συμπεριφορά μιας λειτουργικής κυψέλης.

«Με βάση τη συναρπαστική ανακάλυψή μας, θα κάνουμε περισσότερη έρευνα για να σχεδιάσουμε ακόμα καλύτερες καθόδους θείου», σημείωσε ο Xu. "Θα άξιζε επίσης τον κόπο να διερευνήσουμε εάν αυτός ο μηχανισμός ισχύει και για άλλες μπαταρίες επόμενης γενιάς, όπως το νάτριο-θείο."

Με αυτήν την τελευταία σημαντική ανακάλυψη της ομάδας, το μέλλον των μπαταριών λιθίου-θείου φαίνεται λαμπρότερο, προσφέροντας μια πιο βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον λύση για τον κλάδο των μεταφορών.

Ένα άρθρο σχετικά με αυτήν την έρευνα εμφανίστηκε στο Nature. Εκτός από τον Xu, οι συγγραφείς περιλαμβάνουν τους Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng , Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun και Hong-Gang Liao.

Άλλα ιδρύματα που συμμετέχουν περιλαμβάνουν το Πανεπιστήμιο Xiamen, το Πανεπιστήμιο Χημικής Τεχνολογίας του Πεκίνου και το Πανεπιστήμιο Nanjing. Η έρευνα Argonne υποστηρίχθηκε από το DOE Office of Vehicle Technologies στο Γραφείο Ενεργειακής Απόδοσης και Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας.

Σχετικά με την Προηγμένη πηγή φωτονίων

Η προηγμένη πηγή φωτόνων (APS) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne είναι μια από τις πιο παραγωγικές εγκαταστάσεις ακτινογραφίας στον κόσμο. Το APS παρέχει ακτίνες Χ υψηλής φωτεινότητας σε μια διαφορετική κοινότητα ερευνητών στην επιστήμη υλικών, τη χημεία, τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, τις επιστήμες της ζωής και του περιβάλλοντος και την εφαρμοσμένη έρευνα. Αυτές οι ακτίνες Χ είναι ιδανικές για εξερεύνηση υλικών και βιολογικών δομών. στοιχειακή κατανομή; χημικές, μαγνητικές, ηλεκτρονικές καταστάσεις · και ένα ευρύ φάσμα τεχνολογικά σημαντικών μηχανολογικών συστημάτων, από μπαταρίες έως ψεκασμούς ψεκασμού καυσίμου, όλα αυτά είναι τα θεμέλια της οικονομικής, τεχνολογικής και φυσικής ευημερίας του έθνους μας. Κάθε χρόνο, περισσότεροι από 5,000 ερευνητές χρησιμοποιούν το APS για να παράγουν πάνω από 2,000 δημοσιεύσεις που περιγράφουν λεπτομερώς τις σημαντικές ανακαλύψεις και να επιλύουν πιο ζωτικές δομές βιολογικών πρωτεϊνών από τους χρήστες οποιασδήποτε άλλης ερευνητικής εγκατάστασης ακτίνων Χ Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί της APS καινοτομούν τεχνολογία που βρίσκεται στο επίκεντρο της προώθησης των λειτουργιών επιταχυντή και φωτός. Αυτό περιλαμβάνει τις συσκευές εισαγωγής που παράγουν ακτίνες Χ ακραίας φωτεινότητας που εκτιμούν οι ερευνητές, φακούς που εστιάζουν τις ακτίνες Χ σε μερικά νανόμετρα, όργανα που μεγιστοποιούν τον τρόπο αλληλεπίδρασης των ακτίνων Χ με δείγματα που μελετώνται και λογισμικό που συλλέγει και διαχειρίζεται τη μαζική ποσότητα δεδομένων που προκύπτει από έρευνα ανακάλυψης στο APS.

Αυτή η έρευνα χρησιμοποίησε πόρους της Προηγμένης Πηγής Φωτονίων, μιας Υπηρεσίας Επιστημονικών Υπηρεσιών DOE των ΗΠΑ που λειτουργούσε για το Γραφείο Επιστημών DOE από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne με τον Αρ.

####

Σχετικά με το Εθνικό Εργαστήριο DOE/Argonne
Το Argonne National Laboratory αναζητά λύσεις στα πιεστικά εθνικά προβλήματα της επιστήμης και της τεχνολογίας. Το πρώτο εθνικό εργαστήριο του έθνους, το Argonne διεξάγει βασική και εφαρμοσμένη επιστημονική έρευνα αιχμής σε σχεδόν κάθε επιστημονικό κλάδο. Οι ερευνητές της Argonne συνεργάζονται στενά με ερευνητές από εκατοντάδες εταιρείες, πανεπιστήμια και ομοσπονδιακές, πολιτειακές και δημοτικές υπηρεσίες για να τους βοηθήσουν να λύσουν τα συγκεκριμένα προβλήματά τους, να προωθήσουν την επιστημονική ηγεσία της Αμερικής και να προετοιμάσουν το έθνος για ένα καλύτερο μέλλον. Με υπαλλήλους από περισσότερα από 60 έθνη, η Argonne διοικείται από την UChicago Argonne, LLC για το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

Το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ είναι ο μοναδικός μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες στις Ηνωμένες Πολιτείες και εργάζεται για να αντιμετωπίσει μερικές από τις πιο πιεστικές προκλήσεις της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες, επισκεφθείτε https://energy.gov/science.

Για περισσότερες πληροφορίες, πατήστε εδώ

Επαφές:
Νταϊάνα Άντερσον
DOE/Εθνικό Εργαστήριο Argonne

Πνευματικά δικαιώματα © DOE/Argonne National Laboratory

Εάν έχετε ένα σχόλιο, παρακαλώ Επικοινωνία και εμείς με χαρά θα σας εξυπηρετήσουμε.

Οι εκδότες δελτίων ειδήσεων, όχι η 7th Wave, Inc. ή η Nanotechnology Now, είναι αποκλειστικά υπεύθυνες για την ακρίβεια του περιεχομένου.

Bookmark: