Nanotehnologie acum – Comunicat de presă: Calea necunoscută anterior către bateriile cu energie ridicată, cost redus și durată lungă de viață: Mecanismul de reacție recent descoperit depășește scăderea rapidă a performanței bateriilor cu litiu-sulf

Acasă > Anunturi > Calea necunoscută anterior către bateriile cu energie mare, cost redus și durată lungă de viață: mecanismul de reacție recent descoperit depășește scăderea rapidă a performanței bateriilor cu litiu-sulf

Different reaction pathways from lithium polysulfide (Li₂S₆) to lithium sulfide (Li₂S) in lithium-sulfur batteries with (left) and without (right) catalyst in sulfur cathode. CREDIT (Image by Argonne National Laboratory.)

Rezumat:
Oamenii de știință descoperă o cale surprinzătoare către baterii cu litiu-sulf mai bune prin vizualizarea reacțiilor la scară atomică.

Calea necunoscută anterior către bateriile cu energie mare, cost redus și durată lungă de viață: mecanismul de reacție recent descoperit depășește scăderea rapidă a performanței bateriilor cu litiu-sulf

Lemont, IL | Postat pe 8 septembrie 2023

Drumul de la descoperirea în laborator la tehnologia practică poate fi unul lung și accidentat. Bateria cu litiu-sulf este un exemplu. Are avantaje notabile față de bateriile litiu-ion actuale care alimentează vehiculele. Dar încă nu a afectat piața, în ciuda dezvoltării intense de-a lungul multor ani.

Această situație s-ar putea schimba în viitor datorită eforturilor oamenilor de știință de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE). În ultimul deceniu, au făcut câteva descoperiri esențiale legate de bateriile cu litiu-sulf. Cea mai recentă revelație a acestora, publicată în Nature, deblochează un mecanism de reacție necunoscut anterior care abordează un dezavantaj major - durata de viață foarte scurtă a bateriilor.

Gui-Liang Xu, chimist în divizia de științe chimice și inginerie din Argonne, a declarat că „Eforturile echipei noastre ar putea aduce SUA cu un pas mare mai aproape de un peisaj de transport mai verde și mai durabil.”

Bateriile cu litiu-sulf oferă trei avantaje semnificative față de bateriile litiu-ion actuale. În primul rând, ele pot stoca de două până la trei ori mai multă energie într-un anumit volum, rezultând o autonomie mai mare a vehiculului. În al doilea rând, costul lor mai mic, facilitat de abundența și accesibilitatea sulfului, le face viabile din punct de vedere economic. În cele din urmă, aceste baterii nu se bazează pe resurse critice precum cobaltul și nichelul, care se pot confrunta cu lipsuri în viitor.

În ciuda acestor beneficii, tranziția de la succesul de laborator la viabilitatea comercială s-a dovedit evazivă. Celulele de laborator au arătat rezultate promițătoare, dar atunci când sunt mărite la dimensiunea comercială, performanța lor scade rapid cu încărcarea și descărcarea repetată.

Cauza de bază a acestei scăderi de performanță constă în dizolvarea sulfului din catod în timpul descărcării, ceea ce duce la formarea de polisulfuri de litiu solubile (Li2S6). Acești compuși curg în electrodul negativ (anod) cu litiu metalic în timpul încărcării, agravând și mai mult problema. În consecință, pierderea de sulf din catod și modificările compoziției anodului împiedică semnificativ performanța bateriei în timpul ciclării.

Într-un studiu anterior recent, oamenii de știință Argonne au dezvoltat un material catalitic care, atunci când este adăugat într-o cantitate mică la catodul de sulf, a eliminat în esență problema pierderii de sulf. În timp ce acest catalizator s-a arătat promițător atât în ​​celulele de laborator, cât și în cele comerciale, mecanismul său de lucru la scară atomică a rămas o enigmă până acum.

Cea mai recentă cercetare a echipei a aruncat lumină asupra acestui mecanism. În absența catalizatorului, polisulfurile de litiu se formează la suprafața catodului și suferă o serie de reacții, transformând în cele din urmă catodul în sulfură de litiu (Li2S).

„Dar prezența unei cantități mici de catalizator în catod face toată diferența”, a spus Xu. „Urmează o cale de reacție mult diferită, una fără pași intermediari de reacție.”

Cheia este formarea de bule dense la scară nanometrică de polisulfuri de litiu pe suprafața catodului, care nu apar fără catalizator. Aceste polisulfuri de litiu se răspândesc rapid în structura catodului în timpul descărcării și se transformă în sulfură de litiu constând din cristalite la scară nanometrică. Acest proces previne pierderea de sulf și scăderea performanței celulelor de dimensiuni comerciale.

Pentru a debloca această cutie neagră din jurul mecanismului de reacție, oamenii de știință au folosit tehnici de caracterizare de ultimă oră. Analizele structurii catalizatorului cu fasciculele intense de raze X sincrotron la linia fasciculului 20-BM a Advanced Photon Source, o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science, au arătat că acesta joacă un rol critic în calea de reacție. Structura catalizatorului afectează forma și compoziția produsului final la descărcare, precum și produsele intermediare. Cu catalizatorul, se formează sulfură de litiu nanocristalină la descărcarea completă. Fără catalizator, se formează în schimb structuri în formă de tijă la scară mică.

„Eforturile echipei noastre ar putea aduce SUA cu un pas mare mai aproape de un peisaj de transport mai ecologic și mai durabil.” — Gui-Liang Xu, chimist în divizia de științe chimice și inginerie din Argonne

O altă tehnică vitală, dezvoltată la Universitatea Xiamen, a permis echipei să vizualizeze interfața electrod-electrolit la scară nanometrică în timp ce o celulă de testare funcționa. Această tehnică nou inventată a ajutat să conecteze schimbările la scară nanometrică cu comportamentul unei celule operaționale.

„Pe baza descoperirii noastre interesante, vom face mai multe cercetări pentru a proiecta catozi de sulf și mai buni”, a menționat Xu. „De asemenea, ar merita să se exploreze dacă acest mecanism se aplică altor baterii de generație următoare, cum ar fi sodiu-sulf.”

Cu aceasta cea mai recentă descoperire a echipei, viitorul bateriilor cu litiu-sulf pare mai luminos, oferind o soluție mai durabilă și mai ecologică pentru industria transporturilor.

Un articol despre această cercetare a apărut în Nature. Pe lângă Xu, autorii includ 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 și Hong-Gang Liao.

Alte instituții participante includ Universitatea Xiamen, Universitatea de Tehnologie Chimică din Beijing și Universitatea Nanjing. Cercetarea Argonne a fost susținută de Biroul DOE pentru Tehnologii Vehiculelor din Biroul de Eficiență Energetică și Energie Regenerabilă.

Despre sursa avansată de fotoni

Sursa avansată de fotoni (APS) a Departamentului Energiei din SUA de la Laboratorul Național Argonne este una dintre cele mai productive surse de lumină cu raze X din lume. APS furnizează fascicule de raze X cu luminozitate ridicată unei comunități diverse de cercetători în știința materialelor, chimie, fizica materiei condensate, științele vieții și mediului și cercetarea aplicată. Aceste raze X sunt ideale pentru explorări de materiale și structuri biologice; distribuție elementară; stări chimice, magnetice, electronice; și o gamă largă de sisteme de inginerie importante din punct de vedere tehnologic, de la baterii la spray-uri cu injector de combustibil, toate acestea fiind fundamentele bunăstării economice, tehnologice și fizice a națiunii noastre. În fiecare an, peste 5,000 de cercetători folosesc APS pentru a produce peste 2,000 de publicații care detaliază descoperiri impactante și rezolvă mai multe structuri vitale de proteine ​​biologice decât utilizatorii oricărei alte instalații de cercetare a sursei de lumină cu raze X. Oamenii de știință și inginerii APS inovează tehnologia care se află în centrul avansării operațiunilor de accelerare și sursă de lumină. Aceasta include dispozitivele de inserție care produc raze X cu luminozitate extremă apreciate de cercetători, lentile care focalizează razele X până la câțiva nanometri, instrumentele care maximizează modul în care razele X interacționează cu probele studiate și software-ul care adună și gestionează cantitatea masivă de date rezultate din cercetările de descoperire din cadrul APS.

Această cercetare a folosit resurse ale Advanced Photon Source, un US DOE Office of Science User Facility, operat pentru DOE Office of Science de către Laboratorul Național Argonne în baza contractului nr. DE-AC02-06CH11357.

####

Despre DOE/Argonne National Laboratory
Laboratorul Național Argonne caută soluții la probleme naționale presante din știință și tehnologie. Primul laborator național al națiunii, Argonne efectuează cercetări științifice de bază și aplicate de vârf în aproape fiecare disciplină științifică. Cercetătorii Argonne lucrează îndeaproape cu cercetători de la sute de companii, universități și agenții federale, de stat și municipale pentru a-i ajuta să-și rezolve problemele specifice, să promoveze conducerea științifică a Americii și să pregătească națiunea pentru un viitor mai bun. Cu angajați din peste 60 de țări, Argonne este administrat de UChicago Argonne, LLC pentru Biroul de Știință al Departamentului de Energie al SUA.

Biroul de Știință al Departamentului Energiei din SUA este cel mai mare susținător al cercetării fundamentale în științe fizice din Statele Unite și lucrează pentru a aborda unele dintre cele mai presante provocări ale timpului nostru. Pentru mai multe informații, vizitați https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

Pentru mai multe informații, faceți clic pe aici

Contacte:
Diana Anderson
Laboratorul Național DOE/Argonne

Copyright © DOE/Argonne National Laboratory

Dacă aveți un comentariu, vă rog Contact ne.

Emitenții de comunicate de știri, nu 7th Wave, Inc. sau Nanotechnology Now, sunt singuri responsabili pentru acuratețea conținutului.

Bookmark:

Link-uri conexe

TITLUL ARTICOLULUI

Stiri conexe Presa

Știri și informații

Cercetătorii de la Universitatea Chung-Ang dezvoltă un biosenzor ADN nou pentru diagnosticarea precoce a cancerului de col uterin: Senzorul electrochimic, realizat dintr-un compozit nanofoie grafitic de nano-ceapă/disulfură de molibden, detectează papilomavirusul uman (HPV)-16 și HPV-18, cu specificitate ridicată. Septembrie 8th, 2023

Noul compus dezlănțuie sistemul imunitar pe metastaze Septembrie 8th, 2023

Învățarea automată contribuie la o mai bună corecție a erorilor cuantice Septembrie 8th, 2023

Testele nu au găsit nanotuburi independente eliberate de uzura benzii de rulare a anvelopelor Septembrie 8th, 2023

Quantum îi dă pe cercetători să vadă nevăzutul Septembrie 8th, 2023

Imaging

Quantum îi dă pe cercetători să vadă nevăzutul Septembrie 8th, 2023

USTC a realizat imagistica dinamică a electrochimiei interfațale 11th august, 2023

Descoperirea poate duce la tehnologia terahertzi pentru detectarea cuantică: proprietățile oxidului de metal ar putea permite o gamă largă de fotonici cu frecvență teraherți 21st iulie, 2023

Imaginea sănătății: cercetătorii Virginia Tech îmbunătățesc bioimaginile și detecția cu fotonica cuantică 30th iunie, 2023

laboratoare

Noul catalizator ar putea reduce dramatic poluarea cu metan de la milioane de motoare: Cercetătorii demonstrează o modalitate de a elimina gazul puternic cu efect de seră din evacuarea motoarelor care ard gaze naturale. 21st iulie, 2023

O experiență de legare non-covalentă: oamenii de știință descoperă noi structuri pentru materiale hibride unice prin modificarea legăturilor lor chimice 21st iulie, 2023

Dezvăluirea dansului cuantic: Experimentele dezvăluie legătura dintre dinamica vibrațională și electronică: cuplarea dinamicii electronice și nucleare revelată în molecule cu lasere ultrarapide și raze X 21st iulie, 2023

Govt.-Legislatie / Regulament / Finanțare / Politica

Quantum îi dă pe cercetători să vadă nevăzutul Septembrie 8th, 2023

Ionii de clorură din apa de mare pot fi înlocuiți cu litiu în bateriile viitorului 11th august, 2023

Tehnica de tatuaje transferă nanomodele de aur pe celulele vii 11th august, 2023

Prezentul și viitorul computerelor primesc un impuls din noile cercetări 21st iulie, 2023

Futures posibile

Cercetătorii de la Universitatea Chung-Ang dezvoltă un biosenzor ADN nou pentru diagnosticarea precoce a cancerului de col uterin: Senzorul electrochimic, realizat dintr-un compozit nanofoie grafitic de nano-ceapă/disulfură de molibden, detectează papilomavirusul uman (HPV)-16 și HPV-18, cu specificitate ridicată. Septembrie 8th, 2023

Noul compus dezlănțuie sistemul imunitar pe metastaze Septembrie 8th, 2023

Învățarea automată contribuie la o mai bună corecție a erorilor cuantice Septembrie 8th, 2023

Testele nu au găsit nanotuburi independente eliberate de uzura benzii de rulare a anvelopelor Septembrie 8th, 2023

descoperiri

Detectarea electronică a nanobilelor ADN permite detectarea simplă a agenților patogeni Publicație revizuită de colegi Septembrie 8th, 2023

Pregătirea calculatoarelor cuantice: fizicienii câștigă prestigiosul premiu IBM Septembrie 8th, 2023

Deblocarea potențialului cuantic: Valorificarea stărilor cuantice de dimensiuni înalte cu QD-uri și OAM: Generarea de stări încurcate aproape deterministe bazate pe OAM oferă o punte între tehnologiile fotonice pentru progresele cuantice Septembrie 8th, 2023

Testele nu au găsit nanotuburi independente eliberate de uzura benzii de rulare a anvelopelor Septembrie 8th, 2023

anunturi

Detectarea electronică a nanobilelor ADN permite detectarea simplă a agenților patogeni Publicație revizuită de colegi Septembrie 8th, 2023

Pregătirea calculatoarelor cuantice: fizicienii câștigă prestigiosul premiu IBM Septembrie 8th, 2023

Învățarea automată contribuie la o mai bună corecție a erorilor cuantice Septembrie 8th, 2023

Testele nu au găsit nanotuburi independente eliberate de uzura benzii de rulare a anvelopelor Septembrie 8th, 2023

Auto / Transporturi

Testele nu au găsit nanotuburi independente eliberate de uzura benzii de rulare a anvelopelor Septembrie 8th, 2023

Noul catalizator ar putea reduce dramatic poluarea cu metan de la milioane de motoare: Cercetătorii demonstrează o modalitate de a elimina gazul puternic cu efect de seră din evacuarea motoarelor care ard gaze naturale. 21st iulie, 2023

Cercetătorii dezvoltă un instrument inovator pentru măsurarea dinamicii electronilor în semiconductori: informațiile pot duce la cipuri și dispozitive electronice mai eficiente din punct de vedere energetic 3rd martie, 2023

Dincolo de litiu: un material catod promițător pentru bateriile reîncărcabile cu magneziu: Oamenii de știință descoperă compoziția optimă pentru catodul bateriei secundare de magneziu pentru a obține o mai bună ciclabilitate și o capacitate mare a bateriei Februarie 10th, 2023

Tehnologia bateriilor / condensatoare / generatoare / piezoelectrice / termoelectrică / stocare de energie

Cercetătorii de la Universitatea Chung-Ang dezvoltă un biosenzor ADN nou pentru diagnosticarea precoce a cancerului de col uterin: Senzorul electrochimic, realizat dintr-un compozit nanofoie grafitic de nano-ceapă/disulfură de molibden, detectează papilomavirusul uman (HPV)-16 și HPV-18, cu specificitate ridicată. Septembrie 8th, 2023

Ionii de clorură din apa de mare pot fi înlocuiți cu litiu în bateriile viitorului 11th august, 2023

Carbocatalizatori pe bază de grafen: sinteză, proprietăți și aplicații – dincolo de limite 9th iunie, 2023

Canalizarea energiei mecanice într-o direcție preferată Aprilie 14th, 2023

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• ChartPrime. Crește-ți jocul de tranzacționare cu ChartPrime. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392