Nanoteknologia nyt - Lehdistötiedote: Aikaisemmin tuntematon tapa saada akkuja, joissa on paljon energiaa, edullisia ja pitkäikäisiä: Äskettäin löydetty reaktiomekanismi voittaa litium-rikkiakkujen nopean suorituskyvyn heikkenemisen

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Etusivu > lehdistö > Aiemmin tuntematon reitti korkean energian, alhaisen kustannustason ja pitkän käyttöiän omaaviin akkuihin: Äskettäin löydetty reaktiomekanismi voittaa litium-rikkiakkujen nopean suorituskyvyn heikkenemisen

Erilaiset reaktioreitit litiumpolysulfidista (LiXNUMXSXNUMX) litiumsulfidiin (LiXNUMXS) litium-rikkiakuissa (vasemmalla) ja ilman (oikealla) katalyyttiä rikkikatodissa. LUOTTO
(Kuva: Argonne National Laboratory.)

Tiivistelmä:
Tutkijat löytävät yllättävän tien parempiin litium-rikkiakkuihin visualisoimalla reaktioita atomimittakaavassa.

Aikaisemmin tuntematon reitti korkean energian, alhaisen kustannustason ja pitkän käyttöiän omaaviin akkuihin: Äskettäin löydetty reaktiomekanismi voittaa litium-rikkiakkujen nopean suorituskyvyn heikkenemisen

Lemont, IL | Julkaistu 8. syyskuuta 2023

Tie laboratorion läpimurrosta käytännön teknologiaan voi olla pitkä ja kuoppainen. Litium-rikkiakku on esimerkki. Sillä on huomattavia etuja verrattuna nykyisiin ajoneuvoihin virtaa käyttäviin litiumioniakkuihin. Mutta se ei ole vielä vahingoittanut markkinoita monien vuosien intensiivisestä kehityksestä huolimatta.

Tilanne voi muuttua tulevaisuudessa Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonnen kansallisen laboratorion tutkijoiden ponnistelujen ansiosta. Viimeisen vuosikymmenen aikana he ovat tehneet useita keskeisiä löytöjä, jotka liittyvät litium-rikkiakkuihin. Heidän viimeisin julkaisunsa, joka julkaistiin Nature-lehdessä, avaa aiemmin tuntemattoman reaktiomekanismin, joka korjaa suuren puutteen - akkujen erittäin lyhyen käyttöiän.

Gui-Liang Xu, Argonnen Chemical Sciences and Engineering -divisioonan kemisti, totesi, että "Tiimimme ponnistelut voisivat tuoda Yhdysvallat yhden suuren askeleen lähemmäksi vihreämpää ja kestävämpää kuljetusmaisemaa."

Litium-rikkiakut tarjoavat kolme merkittävää etua nykyisiin litiumioniakkuihin verrattuna. Ensinnäkin ne voivat varastoida kahdesta kolmeen kertaa enemmän energiaa tiettyyn tilavuuteen, mikä johtaa pidempiin ajoneuvoihin. Toiseksi niiden alhaisemmat kustannukset, joita helpottaa rikin runsaus ja kohtuuhintaisuus, tekevät niistä taloudellisesti kannattavia. Lopuksi, nämä akut eivät ole riippuvaisia kriittisistä resursseista, kuten koboltista ja nikkelistä, joista saattaa olla pulaa tulevaisuudessa.

Näistä eduista huolimatta siirtyminen laboratoriomenestyksestä kaupalliseen elinkelpoisuuteen on osoittautunut vaikeaksi. Laboratoriosolut ovat osoittaneet lupaavia tuloksia, mutta kun ne skaalataan kaupalliseen kokoon, niiden suorituskyky heikkenee nopeasti toistuvien latausten ja purkausten seurauksena.

Tämän suorituskyvyn heikkenemisen taustalla on rikin liukeneminen katodista purkauksen aikana, mikä johtaa liukoisten litiumpolysulfidien (Li2S6) muodostumiseen. Nämä yhdisteet virtaavat litiummetallin negatiiviseen elektrodiin (anodiin) latauksen aikana, mikä pahentaa ongelmaa entisestään. Tämän seurauksena rikin menetys katodista ja muutokset anodin koostumuksessa haittaavat merkittävästi akun suorituskykyä pyöräilyn aikana.

Äskettäisessä aikaisemmassa tutkimuksessa Argonnen tutkijat kehittivät katalyyttisen materiaalin, joka, kun sitä lisättiin pieni määrä rikkikatodiin, eliminoi rikkihäviöongelman. Vaikka tämä katalyytti osoitti lupaavuutta sekä laboratorio- että kaupallisen kokoisissa kennoissa, sen atomimittakaavainen toimintamekanismi on pysynyt mysteerinä tähän asti.

Ryhmän uusin tutkimus valaisee tätä mekanismia. Katalyytin puuttuessa litiumpolysulfideja muodostuu katodin pinnalle ja ne käyvät läpi sarjan reaktioita, jotka lopulta muuttavat katodin litiumsulfidiksi (Li2S).

"Mutta pienen määrän katalyyttiä katodissa tekee kaiken eron", Xu sanoi. "Seuraa paljon erilaista reaktioreittiä, joka ei sisällä välivaiheita."

Avain on tiheiden nanomittakaavan litiumpolysulfidien kuplien muodostuminen katodin pinnalle, joita ei esiinny ilman katalyyttiä. Nämä litiumpolysulfidit leviävät nopeasti koko katodirakenteeseen purkauksen aikana ja muuttuvat litiumsulfidiksi, joka koostuu nanomittakaavan kristalliiteista. Tämä prosessi estää rikin häviämisen ja suorituskyvyn heikkenemisen kaupallisen kokoisissa kennoissa.

Tämän reaktiomekanismin ympärillä olevan mustan laatikon lukituksen avaamisessa tutkijat käyttivät huippuluokan karakterisointitekniikoita. Katalyytin rakenteen analyysit intensiivisillä synkrotroniröntgensäteillä DOE Office of Sciencen käyttäjälaitoksen Advanced Photon Sourcen sädelinjassa 20-BM paljastivat, että sillä on kriittinen rooli reaktioreitissä. Katalyytin rakenne vaikuttaa lopputuotteen muotoon ja koostumukseen purkamisen yhteydessä sekä välituotteisiin. Katalyytin kanssa muodostuu nanokiteistä litiumsulfidia täydessä purkauksessa. Ilman katalyyttiä sen sijaan muodostuu mikromittakaavan sauvan muotoisia rakenteita.

"Tiimimme ponnistelut voisivat tuoda Yhdysvallat yhden suuren askeleen lähemmäksi vihreämpää ja kestävämpää liikennemaisemaa." - Gui-Liang Xu, kemisti Argonnen Chemical Sciences and Engineering -divisioonassa

Toinen tärkeä tekniikka, joka kehitettiin Xiamenin yliopistossa, antoi tiimille mahdollisuuden visualisoida elektrodi-elektrolyyttirajapinnan nanomittakaavassa, kun testikenno työskenteli. Tämä hiljattain keksitty tekniikka auttoi yhdistämään nanomittakaavan muutokset toimivan solun käyttäytymiseen.

"Jännittävän löytömme perusteella teemme lisää tutkimusta suunnitellaksemme entistä parempia rikkikatodeja", Xu huomautti. "Tulisi myös tutkia, päteekö tämä mekanismi muihin seuraavan sukupolven akkuihin, kuten natriumrikkiin."

Tämän tiimin viimeisimmän läpimurron myötä litium-rikkiakkujen tulevaisuus näyttää valoisammalta ja tarjoaa kestävämmän ja ympäristöystävällisemmän ratkaisun kuljetusalalle.

Artikkeli tästä tutkimuksesta ilmestyi Nature-lehdessä. Xun lisäksi kirjoittajia ovat 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.

Muita osallistuvia instituutioita ovat Xiamenin yliopisto, Pekingin kemiantekniikan yliopisto ja Nanjingin yliopisto. Argonnen tutkimusta tuki DOE:n ajoneuvotekniikan toimisto energiatehokkuuden ja uusiutuvan energian virastossa.

Tietoja edistyneestä fotonilähteestä

Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimiston edistyksellinen fotonilähde (APS) Argonnen kansallisessa laboratoriossa on yksi maailman tuottavimmista röntgenvalolähteen laitteista. APS tarjoaa erittäin kirkkaita röntgensäteitä monimuotoiselle tutkijayhteisölle materiaalitieteen, kemian, tiivisteainefysiikan, biotieteiden ja ympäristötieteiden sekä soveltavan tutkimuksen tutkijoille. Nämä röntgensäteet ovat ihanteellisia materiaalien ja biologisten rakenteiden tutkimiseen; alkuainejakauma; kemialliset, magneettiset, elektroniset tilat; ja laaja valikoima teknisesti tärkeitä tekniikkajärjestelmiä akkuista polttoaineensuihkeruiskuihin, jotka kaikki ovat kansakuntiemme taloudellisen, teknisen ja fyysisen hyvinvoinnin perusta. Joka vuosi yli 5,000 tutkijaa käyttää APS: ää tuottamaan yli 2,000 julkaisua, joissa kuvataan vaikuttavia löytöjä, ja ratkaisemaan tärkeämpiä biologisia proteiinirakenteita kuin minkään muun röntgenvalonlähteen tutkimuslaitoksen käyttäjät. APS: n tutkijat ja insinöörit innovoivat tekniikkaa, joka on kiihdyttimen ja valonlähteen toiminnan edistämisen ydin. Tähän kuuluvat lisäyslaitteet, jotka tuottavat tutkijoiden arvostamia äärimmäisen kirkkaita röntgensäteitä, linssit, jotka kohdistavat röntgenkuvat muutaman nanometrin mittaan, instrumentit, jotka maksimoivat röntgensäteiden vuorovaikutuksen tutkittavien näytteiden kanssa, sekä ohjelmistot, jotka keräävät ja hallitsee valtavaa tietomäärää, joka on saatu APS: n etsintätutkimuksesta.

Tässä tutkimuksessa käytettiin Advanced Photon Source -lähteen resursseja, joka on Yhdysvaltain DOE: n tieteellisten toimistojen käyttölaitoksen ylläpitämä Argonnen kansallinen laboratorio DOE: n tiedetoimistolle sopimuksen nojalla DE-AC02-06CH11357.

####

Tietoja DOE/Argonne National Laboratorysta
Argonnen kansallinen laboratorio etsii ratkaisuja kiireellisiin kansallisiin tieteen ja tekniikan ongelmiin. Kansakunnan ensimmäinen kansallinen laboratorio Argonne tekee huippututkimusta perustutkimuksessa ja soveltavassa tieteellisessä tutkimuksessa käytännöllisesti katsoen kaikilla tieteenaloilla. Argonnen tutkijat tekevät tiivistä yhteistyötä satojen yritysten, yliopistojen sekä liittovaltion, osavaltioiden ja kuntien tutkijoiden kanssa auttaakseen heitä ratkaisemaan heidän erityisongelmansa, edistämään Amerikan tieteellistä johtajuutta ja valmistelemaan kansaa parempaan tulevaisuuteen. Työntekijöitä yli 60 maasta, Argonnea johtaa UChicago Argonne, LLC Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto.

Yhdysvaltain energiaministeriön tiedetoimisto on ainoa fysikaalisten tieteiden perustutkimuksen tukija Yhdysvalloissa ja pyrkii vastaamaan aikamme kiireellisimpiin haasteisiin. Lisätietoja on osoitteessa https://energy.gov/science.

Saat lisätietoja napsauttamalla tätä

Yhteydet:
Diana Anderson
DOE / Argonnen kansallinen laboratorio

Tekijänoikeus © DOE/Argonne National Laboratory

Jos sinulla on kommentteja, kiitos Ota yhteyttä meille.

Lehdistötiedotteiden liikkeeseenlaskijat, eivät 7th Wave, Inc. tai Nanotechnology Now, ovat yksin vastuussa sisällön oikeellisuudesta.

Kirjanmerkki:

Linkkejä

ARTIKKELIN NIMI

Aiheeseen liittyvät uutiset Lehdistö

Uutiset ja tiedot

Chung-Angin yliopiston tutkijat kehittävät uuden DNA-biosensorin kohdunkaulan syövän varhaiseen diagnosointiin: Grafiittisesta nanosipuli/molybdeenidisulfidi-nanolevykomposiitista valmistettu sähkökemiallinen anturi havaitsee ihmisen papilloomaviruksen (HPV)-16 ja HPV-18 korkealla spesifisyydellä Syyskuu 8th, 2023

Uusi yhdiste vapauttaa immuunijärjestelmän etäpesäkkeitä vastaan Syyskuu 8th, 2023

Koneoppiminen auttaa parantamaan kvanttivirheiden korjausta Syyskuu 8th, 2023

Testeissä ei löydetä renkaiden kulutuspinnan kulumisesta vapautuneita nanoputkia Syyskuu 8th, 2023

Kvantti antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä näkymätön Syyskuu 8th, 2023

Imaging

Kvantti antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä näkymätön Syyskuu 8th, 2023

USTC saavutti rajapinnan sähkökemian dynaamisen kuvantamisen Elokuu 11th, 2023

Löytö voi johtaa terahertsiteknologiaan kvanttitunnistukseen: Metallioksidin ominaisuudet voivat mahdollistaa laajan valikoiman terahertsitaajuusfotoniikkaa Heinäkuu 21st, 2023

Terveyskuva: Virginia Techin tutkijat tehostavat biokuvaamista ja tunnistusta kvanttifotoniikassa Kesäkuu 30th, 2023

Laboratories

Uusi katalyytti voisi dramaattisesti vähentää miljoonien moottoreiden metaanisaastetta: Tutkijat osoittavat tavan poistaa voimakas kasvihuonekaasu maakaasua polttavien moottoreiden pakokaasuista. Heinäkuu 21st, 2023

Ei-kovalenttinen sidoskokemus: Tutkijat löytävät uusia rakenteita ainutlaatuisille hybridimateriaaleille muuttamalla niiden kemiallisia sidoksia Heinäkuu 21st, 2023

Kvanttitanssin paljastaminen: Kokeet paljastavat värähtelyn ja elektronisen dynamiikan yhteyden: molekyyleissä havaittu elektronisen ja ydindynamiikan kytkentä ultranopeilla lasereilla ja röntgensäteillä Heinäkuu 21st, 2023

Govt.-lainsäädäntö / asetus / Rahoitus / Suoja

Kvantti antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä näkymätön Syyskuu 8th, 2023

Meriveden kloridi-ionit katsoivat mahdolliseksi litiumin korvaamiseksi tulevaisuuden akuissa Elokuu 11th, 2023

Tatuointitekniikka siirtää kullan nanokuvioita eläviin soluihin Elokuu 11th, 2023

Tietojenkäsittelyn nykyisyys ja tulevaisuus saavat vauhtia uudesta tutkimuksesta Heinäkuu 21st, 2023

Mahdolliset tulevaisuudet

Uusi yhdiste vapauttaa immuunijärjestelmän etäpesäkkeitä vastaan Syyskuu 8th, 2023

Koneoppiminen auttaa parantamaan kvanttivirheiden korjausta Syyskuu 8th, 2023

Testeissä ei löydetä renkaiden kulutuspinnan kulumisesta vapautuneita nanoputkia Syyskuu 8th, 2023

Discoveries

DNA-nanopallojen elektroninen havaitseminen mahdollistaa yksinkertaisen patogeenien havaitsemisen Vertaisarvioitu julkaisu Syyskuu 8th, 2023

Kvanttitietokoneiden koulutus: fyysikot voittivat arvostetun IBM-palkinnon Syyskuu 8th, 2023

Kvanttipotentiaalin vapauttaminen: Korkeadimensioisten kvanttitilojen hyödyntäminen QD:n ja OAM:n avulla: Lähes determinististen OAM-pohjaisten kietoutuneiden tilojen luominen tarjoaa sillan fotonitekniikoiden välillä kvanttikehitystä varten Syyskuu 8th, 2023

Testeissä ei löydetä renkaiden kulutuspinnan kulumisesta vapautuneita nanoputkia Syyskuu 8th, 2023

Ilmoitukset

DNA-nanopallojen elektroninen havaitseminen mahdollistaa yksinkertaisen patogeenien havaitsemisen Vertaisarvioitu julkaisu Syyskuu 8th, 2023

Kvanttitietokoneiden koulutus: fyysikot voittivat arvostetun IBM-palkinnon Syyskuu 8th, 2023

Koneoppiminen auttaa parantamaan kvanttivirheiden korjausta Syyskuu 8th, 2023

Testeissä ei löydetä renkaiden kulutuspinnan kulumisesta vapautuneita nanoputkia Syyskuu 8th, 2023

Autoalan / Kuljetusta

Testeissä ei löydetä renkaiden kulutuspinnan kulumisesta vapautuneita nanoputkia Syyskuu 8th, 2023

Tutkijat kehittävät innovatiivisen työkalun elektronidynamiikan mittaamiseen puolijohteissa: Havainnot voivat johtaa energiatehokkaampiin siruihin ja elektronisiin laitteisiin Maaliskuussa 3rd, 2023

Litiumin lisäksi: lupaava katodimateriaali ladattaville magnesiumakuille: Tutkijat löytävät optimaalisen koostumuksen magnesiumin toissijaiselle akkukatodille paremman syklisyyden ja korkean akun kapasiteetin saavuttamiseksi Helmikuu 10th, 2023

Akkutekniikka / Kondensaattorit / Generaattorit / Pietsosähkö / Termoelektroniikka / Energian varastointi

Meriveden kloridi-ionit katsoivat mahdolliseksi litiumin korvaamiseksi tulevaisuuden akuissa Elokuu 11th, 2023

Grafeenipohjaiset karbokatalyytit: synteesi, ominaisuudet ja sovellukset – rajojen ulkopuolella Kesäkuu 9th, 2023

Mekaanisen energian kanavointi haluttuun suuntaan Huhtikuu 14th, 2023

SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
ChartPrime. Nosta kaupankäyntipeliäsi ChartPrimen avulla. Pääsy tästä.
BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
Lähde: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392