Nanotehnoloogia nüüd – Pressiteade: Varem tundmatu tee suure energiatarbega, madala hinnaga ja pika elueaga akude juurde: äsja avastatud reaktsioonimehhanism ületab liitium-väävelakude kiire jõudluse languse

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Avaleht > press > Varem tundmatu tee suure energiatarbega, madala hinnaga ja pika elueaga akudeni: äsja avastatud reaktsioonimehhanism ületab liitium-väävelakude kiire jõudluse languse

Erinevad reaktsiooniteed liitiumpolüsulfiidist (LiXNUMXSXNUMX) liitiumsulfiidini (Li₂S) liitium-väävelakudes koos (vasakul) ja ilma (paremal) katalüsaatorita väävelkatoodis. KREDIT
(Argonne'i riikliku labori pilt.)

Abstraktne:
Teadlased avastavad üllatavat teed paremate liitium-väävelpatareide saavutamiseks, visualiseerides reaktsioone aatomi skaalal.

Varem tundmatu viis suure energia, madala hinnaga ja pika elueaga akude juurde: äsja avastatud reaktsioonimehhanism ületab liitium-väävelakude kiire jõudluse languse

Lemont, IL | Postitatud 8. septembril 2023

Tee labori läbimurdest praktilise tehnoloogiani võib olla pikk ja konarlik. Näiteks liitium-väävelaku. Sellel on märkimisväärsed eelised võrreldes praeguste sõidukite toiteallikaga liitiumioonakudega. Kuid vaatamata paljude aastate intensiivsele arengule ei ole see veel turgu kahjustanud.

See olukord võib tulevikus muutuda tänu USA energeetikaministeeriumi (DOE) Argonne'i riikliku labori teadlaste jõupingutustele. Viimase kümnendi jooksul on nad teinud liitium-väävelakudega seotud mitu pöördelist avastust. Nende viimane ilmutus, mis avaldati ajakirjas Nature, avab varem tundmatu reaktsioonimehhanismi, mis lahendab peamise puuduse – patareide väga lühikese eluea.

Argonne'i keemiateaduste ja tehnika osakonna keemik Gui-Liang Xu märkis, et "Meie meeskonna jõupingutused võivad tuua USA ühe suure sammu võrra lähemale rohelisemale ja jätkusuutlikumale transpordimaastikule."

Liitium-väävelakud pakuvad praeguste liitiumioonakude ees kolm olulist eelist. Esiteks suudavad nad teatud mahus salvestada kaks kuni kolm korda rohkem energiat, mille tulemuseks on pikem sõidukite vahemaa. Teiseks muudab nende madalam hind, mida soodustab väävli rohkus ja taskukohasus, need majanduslikult elujõuliseks. Lõpuks ei sõltu need akud kriitilistest ressurssidest, nagu koobalt ja nikkel, mis võivad tulevikus puududa.

Nendest eelistest hoolimata on üleminek laboratoorselt edult ärilisele elujõulisusele osutunud raskeks. Laboratoorsed rakud on näidanud paljulubavaid tulemusi, kuid kui neid suurendatakse kaubanduslikule suurusele, väheneb nende jõudlus korduva laadimise ja tühjenemisega kiiresti.

Selle jõudluse languse põhjuseks on väävli lahustumine katoodist tühjendamise ajal, mis põhjustab lahustuvate liitiumpolüsulfiidide (Li2S6) moodustumist. Need ühendid voolavad laadimise ajal liitiummetalli negatiivsesse elektroodi (anoodi), mis veelgi süvendab probleemi. Järelikult takistab väävli kadu katoodilt ja anoodi koostise muutused oluliselt aku jõudlust rattasõidu ajal.

Hiljutises varasemas uuringus töötasid Argonne'i teadlased välja katalüütilise materjali, mis väikeses koguses väävlitoodile lisatuna kõrvaldas sisuliselt väävli kadu. Kuigi see katalüsaator osutus paljulubavaks nii laboratoorsetes kui ka kaubanduslikes rakkudes, jäi selle aatomiskaala töömehhanism siiani mõistatuseks.

Meeskonna uusimad uuringud valgustasid seda mehhanismi. Katalüsaatori puudumisel moodustuvad liitiumpolüsulfiidid katoodi pinnal ja läbivad rea reaktsioone, muutes lõpuks katoodi liitiumsulfiidiks (Li2S).

"Kuid väikese koguse katalüsaatori olemasolu katoodis muudab kõik oluliseks," ütles Xu. "Järgneb palju erinev reaktsioonitee, üks, mis ei sisalda vahepealseid reaktsioonietappe."

Võti on liitiumpolüsulfiidide tihedate nanomõõtmeliste mullide moodustumine katoodi pinnale, mis ilma katalüsaatorita ei ilmu. Need liitiumpolüsulfiidid levivad tühjenemise ajal kiiresti kogu katoodi struktuuris ja muutuvad liitiumsulfiidiks, mis koosneb nanomõõtmelistest kristalliitidest. See protsess hoiab ära väävli kadu ja jõudluse languse kaubandusliku suurusega rakkudes.

Selle reaktsioonimehhanismi ümber oleva musta kasti avamisel kasutasid teadlased tipptasemel iseloomustustehnikaid. Katalüsaatori struktuuri analüüsid intensiivsete sünkrotronröntgenkiirtega DOE Office of Science'i kasutajaüksuse Advanced Photon Source valgusvihu joonel 20-BM näitasid, et see mängib reaktsioonirajas kriitilist rolli. Katalüsaatori struktuur mõjutab nii lõpptoote kui ka vaheproduktide kuju ja koostist tühjendamisel. Katalüsaatoriga moodustub täielikul tühjenemisel nanokristalliline liitiumsulfiid. Ilma katalüsaatorita tekivad selle asemel mikromõõtmelised vardakujulised struktuurid.

"Meie meeskonna jõupingutused võivad tuua USA ühe suure sammu võrra lähemale rohelisemale ja jätkusuutlikumale transpordimaastikule." — Gui-Liang Xu, keemik Argonne'i keemiateaduste ja tehnika osakonnas

Teine oluline Xiameni ülikoolis välja töötatud tehnika võimaldas meeskonnal katseraku töötamise ajal visualiseerida elektroodi-elektrolüüdi liidest nanomõõtmes. See äsja leiutatud tehnika aitas ühendada nanomõõtmes toimuvad muutused töötava raku käitumisega.

"Meie põneva avastuse põhjal teeme rohkem uuringuid, et kujundada veelgi paremaid väävelkatoode," märkis Xu. "Samuti tasuks uurida, kas see mehhanism kehtib ka muude järgmise põlvkonna akude, näiteks naatriumväävli kohta."

Selle meeskonna uusima läbimurdega näib liitium-väävelakude tulevik helgem, pakkudes transporditööstusele säästvamat ja keskkonnasõbralikumat lahendust.

Selle uurimistöö kohta ilmus artikkel ajakirjas Nature. Lisaks Xule on autorite seas 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 ja Hong-Gang Liao.

Muud osalevad institutsioonid on Xiameni ülikool, Pekingi keemiatehnoloogia ülikool ja Nanjingi ülikool. Argonne'i uuringut toetas DOE sõidukitehnoloogia büroo energiatõhususe ja taastuvenergia büroos.

Teave täiustatud footoni allika kohta

USA energiaministeeriumi teadusameti täiustatud footoniallikas (APS) Argonne'i riiklikus laboris on üks maailma produktiivsemaid röntgenvalgusallikaid. APS pakub suure heledusega röntgenkiirte mitmekesisele materjaliteaduse, keemia, kondenseerunud aine füüsika, elu- ja keskkonnateaduste ning rakendusuuringute uurijate kogukonnale. Need röntgenikiired sobivad ideaalselt materjalide ja bioloogiliste struktuuride uurimiseks; elementaarne jaotus; keemilised, magnetilised, elektroonilised olekud; ja lai valik tehnoloogiliselt olulisi insenerisüsteeme alates patareidest kuni kütusepihustite pihustiteni, mis kõik on meie rahva majandusliku, tehnoloogilise ja füüsilise heaolu aluseks. Igal aastal kasutab rohkem kui 5,000 teadlast APS-i, et koostada üle 2,000 väljaande, milles kirjeldatakse mõjukaid avastusi, ja lahendada elutähtsamaid bioloogilisi valgu struktuure kui mis tahes muu röntgenkiirte uurimisasutuse kasutajad. APSi teadlased ja insenerid uuendavad tehnoloogiat, mis on kiirendi ja valgusallikaga toimimise edendamise keskmes. See hõlmab sisestusseadmeid, mis tekitavad teadlaste poolt hinnatud ülitugevaid röntgenikiirgusid, läätsed, mis fokuseerivad röntgenikiirguse mõne nanomeetrini, mõõteriistad, mis maksimeerivad röntgenkiirte suhtlemist uuritavate proovidega, ning tarkvara, mis kogub ja kogub haldab APS -i avastusuuringutest saadud tohutul hulgal andmeid.

Selles uuringus kasutati Advanced Photon Source'i, USA DOE teadusbüroo kasutajakeskuse ressursse, mida haldas DOE Office of Science Argonne'i riiklik laboratoorium lepingu nr DE-AC02-06CH11357 alusel.

####

DOE / Argonne'i riikliku labori kohta
Argonne'i riiklik labor otsib lahendusi pakilistele riiklikele teaduse ja tehnoloogia probleemidele. Riigi esimene riiklik labor Argonne viib läbi tipptasemel alus- ja rakendusteaduslikke uuringuid peaaegu kõigis teadusvaldkondades. Argonne'i teadlased teevad tihedat koostööd sadade ettevõtete, ülikoolide ning föderaal-, riigi- ja munitsipaalasutuste teadlastega, et aidata neil lahendada nende konkreetseid probleeme, edendada Ameerika teadusjuhtimist ja valmistada riiki ette paremaks tulevikuks. Rohkem kui 60 riigist pärit töötajatega Argonne'i haldab UChicago Argonne, LLC USA energeetikaministeeriumi teadusbüroo jaoks.

USA energeetikaministeeriumi teadusamet on Ameerika Ühendriikides suurim füüsikaliste teaduste alusuuringute toetaja ja tegeleb meie aja kõige pakilisemate väljakutsetega. Lisateabe saamiseks külastage https://energy.gov/science.

Lisateabe saamiseks klõpsake nuppu siin

Kontaktid:
Diana Anderson
DOE / Argonne'i riiklik labor

Autoriõigus © DOE/Argonne National Laboratory

Kui teil on kommentaar, palun Saada sõnum meile.

Sisu täpsuse eest vastutavad ainuüksi uudisteväljaannete väljaandjad, mitte 7th Wave, Inc. või Nanotechnology Now.

Järjehoidja: