Nanotechnologia teraz — komunikat prasowy: Nieznana wcześniej droga do akumulatorów o dużej energii, niskim koszcie i długiej żywotności: nowo odkryty mechanizm reakcji pokonuje gwałtowny spadek wydajności akumulatorów litowo-siarkowych

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Strona główna > Naciśnij przycisk > Nieznana wcześniej droga do akumulatorów o dużej energii, niskim koszcie i długiej żywotności: nowo odkryty mechanizm reakcji pozwala przezwyciężyć szybki spadek wydajności akumulatorów litowo-siarkowych

Różne ścieżki reakcji od polisiarczku litu (Li₂S₆) do siarczku litu (Li₂S) w akumulatorach litowo-siarkowych z (po lewej) i bez (po prawej) katalizatorem w katodzie siarkowej. KREDYT
(Zdjęcie: Argonne National Laboratory.)

Abstrakcyjny:
Naukowcy odkrywają zaskakującą drogę do lepszych akumulatorów litowo-siarkowych, wizualizując reakcje w skali atomowej.

Nieznana wcześniej droga do akumulatorów o dużej energii, niskim koszcie i długiej żywotności: nowo odkryty mechanizm reakcji pozwala przezwyciężyć szybki spadek wydajności akumulatorów litowo-siarkowych

Lemont, Illinois | Opublikowano 8 września 2023 r

Droga od przełomu w laboratorium do praktycznej technologii może być długa i wyboista. Przykładem jest akumulator litowo-siarkowy. Ma wyraźną przewagę nad obecnymi akumulatorami litowo-jonowymi zasilającymi pojazdy. Jednak pomimo intensywnego rozwoju na przestrzeni wielu lat, nie podbiło to rynku.

Sytuacja ta może się zmienić w przyszłości dzięki wysiłkom naukowców z Narodowego Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE). W ciągu ostatniej dekady dokonali kilku kluczowych odkryć związanych z akumulatorami litowo-siarkowymi. Ich najnowsze odkrycie, opublikowane w czasopiśmie Nature, odblokowuje nieznany wcześniej mechanizm reakcji, który eliminuje poważną wadę – bardzo krótką żywotność baterii.

Gui-Liang Xu, chemik z działu nauk chemicznych i inżynierii firmy Argonne, stwierdził, że „wysiłki naszego zespołu mogą przybliżyć Stany Zjednoczone o jeden duży krok do bardziej ekologicznego i zrównoważonego krajobrazu transportu”.

Baterie litowo-siarkowe oferują trzy istotne zalety w porównaniu z obecnymi bateriami litowo-jonowymi. Po pierwsze, w danej objętości mogą zmagazynować od dwóch do trzech razy więcej energii, co przekłada się na większy zasięg pojazdu. Po drugie, ich niższy koszt, wynikający z obfitości i przystępności cenowej siarki, czyni je opłacalnymi. Wreszcie akumulatory te nie opierają się na kluczowych zasobach, takich jak kobalt i nikiel, których w przyszłości może brakować.

Pomimo tych korzyści przejście od sukcesu laboratoryjnego do opłacalności komercyjnej okazało się nieuchwytne. Ogniwa laboratoryjne wykazały obiecujące wyniki, ale po zwiększeniu skali do rozmiarów komercyjnych ich wydajność gwałtownie spada wraz z wielokrotnym ładowaniem i rozładowywaniem.

Podstawową przyczyną tego spadku wydajności jest rozpuszczanie siarki z katody podczas wyładowania, co prowadzi do tworzenia rozpuszczalnych polisiarczków litu (Li2S6). Związki te przedostają się do elektrody ujemnej (anody) litowo-metalowej podczas ładowania, co jeszcze bardziej pogarsza problem. W rezultacie utrata siarki z katody i zmiany w składzie anody znacznie pogarszają wydajność akumulatora podczas jazdy na rowerze.

W niedawnym, wcześniejszym badaniu naukowcy z firmy Argonne opracowali materiał katalityczny, który dodany w niewielkiej ilości do katody siarkowej zasadniczo eliminuje problem utraty siarki. Chociaż katalizator ten okazał się obiecujący zarówno w ogniwach laboratoryjnych, jak i komercyjnych, jego mechanizm działania w skali atomowej pozostawał do tej pory zagadką.

Najnowsze badania zespołu rzuciły światło na ten mechanizm. W przypadku braku katalizatora na powierzchni katody tworzą się wielosiarczki litu, które podlegają szeregowi reakcji, ostatecznie przekształcając katodę w siarczek litu (Li2S).

„Ale obecność niewielkiej ilości katalizatora na katodzie robi różnicę” – powiedział Xu. „Następuje zupełnie inna ścieżka reakcji, pozbawiona pośrednich etapów reakcji”.

Kluczem jest tworzenie się gęstych nanopęcherzyków polisiarczków litu na powierzchni katody, które nie pojawiają się bez katalizatora. Te polisiarczki litu szybko rozprzestrzeniają się w całej strukturze katody podczas wyładowania i przekształcają się w siarczek litu składający się z krystalitów w skali nano. Proces ten zapobiega utracie siarki i spadkowi wydajności ogniw o rozmiarach komercyjnych.

Aby odblokować czarną skrzynkę dotyczącą mechanizmu reakcji, naukowcy zastosowali najnowocześniejsze techniki charakteryzowania. Analizy struktury katalizatora za pomocą intensywnych synchrotronowych wiązek rentgenowskich na linii wiązki 20-BM Advanced Photon Source, obiektu użytkownika Biura Naukowego DOE, wykazały, że odgrywa on kluczową rolę w ścieżce reakcji. Struktura katalizatora wpływa na kształt i skład produktu końcowego po wyładowaniu, a także produktów pośrednich. W przypadku katalizatora po całkowitym rozładowaniu tworzy się nanokrystaliczny siarczek litu. Bez katalizatora zamiast tego tworzą się struktury w kształcie pręta w mikroskali.

„Wysiłki naszego zespołu mogą przybliżyć Stany Zjednoczone o jeden duży krok do bardziej ekologicznego i zrównoważonego krajobrazu transportu”. — Gui-Liang Xu, chemik w dziale nauk chemicznych i inżynierii firmy Argonne

Inna istotna technika opracowana na Uniwersytecie w Xiamen umożliwiła zespołowi wizualizację granicy faz elektroda-elektrolit w nanoskali podczas pracy komory testowej. Ta nowo wynaleziona technika pomogła powiązać zmiany w nanoskali z zachowaniem działającej komórki.

„W oparciu o nasze ekscytujące odkrycie będziemy prowadzić dalsze badania, aby zaprojektować jeszcze lepsze katody siarkowe” – zauważył Xu. „Warto byłoby również zbadać, czy mechanizm ten ma zastosowanie w przypadku innych akumulatorów nowej generacji, takich jak baterie sodowo-siarkowe”.

Dzięki najnowszemu przełomowi zespołu przyszłość akumulatorów litowo-siarkowych jawi się w jaśniejszych barwach, oferując bardziej zrównoważone i przyjazne dla środowiska rozwiązanie dla branży transportowej.

Artykuł na temat tych badań ukazał się w czasopiśmie Nature. Oprócz Xu autorami są 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 i Hong-Gang Liao.

Inne instytucje uczestniczące to Uniwersytet w Xiamen, Uniwersytet Technologii Chemicznej w Pekinie i Uniwersytet w Nanjing. Badania Argonne były wspierane przez Biuro Technologii Pojazdów DOE w Biurze ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej.

O zaawansowanym źródle fotonów

Zaawansowane źródło fotonów (APS) Departamentu Energii Amerykańskiego Biura Nauki (APS) w Argonne National Laboratory jest jednym z najbardziej produktywnych źródeł promieniowania rentgenowskiego na świecie. APS dostarcza wiązki promieniowania rentgenowskiego o wysokiej jasności do zróżnicowanej społeczności naukowców zajmujących się materiałoznawstwem, chemią, fizyką materii skondensowanej, naukami o życiu i środowisku oraz badaniami stosowanymi. Te promienie rentgenowskie idealnie nadają się do badań materiałów i struktur biologicznych; dystrybucja pierwiastków; stany chemiczne, magnetyczne, elektroniczne; oraz szeroka gama ważnych technologicznie systemów inżynieryjnych, od akumulatorów po spraye do wtryskiwaczy paliwa, z których wszystkie są podstawą gospodarczego, technologicznego i fizycznego dobrobytu naszego kraju. Każdego roku ponad 5,000 naukowców używa APS do tworzenia ponad 2,000 publikacji zawierających szczegółowe informacje o wpływowych odkryciach i rozwiązujących bardziej istotne struktury białek biologicznych niż użytkownicy jakiejkolwiek innej placówki badawczej wykorzystującej źródło promieniowania rentgenowskiego. Naukowcy i inżynierowie APS opracowują innowacyjną technologię, która jest podstawą zaawansowanych operacji akceleratorów i źródeł światła. Obejmuje to urządzenia wprowadzające, które wytwarzają cenione przez naukowców promieniowanie rentgenowskie o ekstremalnej jasności, soczewki, które skupiają promienie rentgenowskie do kilku nanometrów, oprzyrządowanie, które maksymalizuje sposób interakcji promieni rentgenowskich z badanymi próbkami oraz oprogramowanie, które gromadzi i zarządza ogromną ilością danych wynikających z badań odkrywczych w APS.

W badaniu wykorzystano zasoby Advanced Photon Source, centrum naukowego Biura Nauki DOE w USA, obsługiwane dla Biura Nauki DOE przez Argonne National Laboratory na podstawie umowy nr DE-AC02-06CH11357.

####

O Laboratorium Narodowym DOE/Argonne
Argonne National Laboratory poszukuje rozwiązań dla palących krajowych problemów w nauce i technologii. Argonne, pierwsze krajowe laboratorium w kraju, prowadzi wiodące badania podstawowe i stosowane w praktycznie każdej dyscyplinie naukowej. Badacze z Argonne ściśle współpracują z naukowcami z setek firm, uniwersytetów oraz agencji federalnych, stanowych i miejskich, aby pomóc im rozwiązać ich specyficzne problemy, wzmocnić amerykańskie przywództwo naukowe i przygotować kraj na lepszą przyszłość. Zatrudniająca pracowników z ponad 60 krajów, Argonne jest zarządzana przez UChicago Argonne, LLC dla Biura Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.

Biuro Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych jest największym pojedynczym podmiotem wspierającym badania podstawowe w dziedzinie nauk fizycznych w Stanach Zjednoczonych i stara się sprostać niektórym z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Po więcej informacji odwiedź https://energy.gov/science.

Aby uzyskać więcej informacji, kliknij tutaj

Łączność:
Dianę Anderson
DOE / Argonne National Laboratory

Prawa autorskie © DOE/Argonne National Laboratory

Jeśli masz komentarz, proszę Kontakt my.

Wydawcy komunikatów prasowych, a nie 7th Wave, Inc. lub Nanotechnology Now, ponoszą wyłączną odpowiedzialność za dokładność treści.

Zakładka: