Nanotehnologija zdaj - Sporočilo za javnost: Prej neznana pot do baterij z visoko energijo, nizko ceno in dolgo življenjsko dobo: Novo odkriti reakcijski mehanizem premaga hiter upad zmogljivosti litij-žveplovih baterij

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Domov > Pritisnite > Prej neznana pot do baterij z visoko energijo, nizkimi stroški in dolgo življenjsko dobo: na novo odkrit reakcijski mehanizem premaga hiter upad zmogljivosti litij-žveplovih baterij

Različne reakcijske poti od litijevega polisulfida (Li₂S₆) do litijevega sulfida (Li₂S) v litij-žveplovih baterijah z (levo) in brez (desno) katalizatorja v žveplovi katodi. KREDIT
(Slika nacionalnega laboratorija Argonne.)

Povzetek:
Znanstveniki odkrivajo presenetljivo pot do boljših litij-žveplovih baterij z vizualizacijo reakcij na atomskem nivoju.

Prej neznana pot do baterij z visoko energijo, nizko ceno in dolgo življenjsko dobo: Novo odkriti reakcijski mehanizem premaga hiter upad zmogljivosti litij-žveplovih baterij

Lemont, IL | Objavljeno 8. septembra 2023

Pot od preboja v laboratoriju do praktične tehnologije je lahko dolga in nerodna. Primer je litij-žveplova baterija. Ima opazne prednosti pred trenutnimi litij-ionskimi baterijami, ki poganjajo vozila. Toda kljub dolgoletnemu intenzivnemu razvoju še ni udaril na trg.

To stanje bi se lahko v prihodnosti spremenilo zahvaljujoč prizadevanjem znanstvenikov v Nacionalnem laboratoriju Argonne ameriškega ministrstva za energijo (DOE). V zadnjem desetletju so prišli do več ključnih odkritij v zvezi z litij-žveplovimi baterijami. Njihovo najnovejše odkritje, objavljeno v Nature, razkrije prej neznan reakcijski mehanizem, ki obravnava glavno pomanjkljivost – zelo kratko življenjsko dobo baterij.

Gui-Liang Xu, kemik v Argonnovem oddelku za kemijske znanosti in inženiring, je izjavil, da bi "prizadevanja naše ekipe lahko pripeljala ZDA en velik korak bližje bolj zeleni in bolj trajnostni prometni pokrajini."

Litij-žveplove baterije ponujajo tri pomembne prednosti pred trenutnimi litij-ionskimi baterijami. Prvič, lahko shranijo dva do trikrat več energije v določeni prostornini, kar ima za posledico daljši doseg vozila. Drugič, njihova nižja cena, ki jo omogoča številčnost in dostopnost žvepla, jih naredi ekonomsko upravičene. Nazadnje, te baterije niso odvisne od kritičnih virov, kot sta kobalt in nikelj, ki se lahko soočita s pomanjkanjem v prihodnosti.

Kljub tem prednostim se je prehod od laboratorijskega uspeha do komercialne sposobnosti izkazal za izmuzljivega. Laboratorijske celice so pokazale obetavne rezultate, a ko se povečajo na komercialno velikost, njihova zmogljivost hitro upade s ponavljajočim se polnjenjem in praznjenjem.

Osnovni vzrok tega zmanjšanja zmogljivosti je raztapljanje žvepla s katode med praznjenjem, kar vodi do tvorbe topnih litijevih polisulfidov (Li2S6). Te spojine tečejo v litijevo kovinsko negativno elektrodo (anodo) med polnjenjem, kar še poslabša težavo. Posledično izguba žvepla s katode in spremembe v sestavi anode znatno ovirajo delovanje baterije med cikliranjem.

V nedavni prejšnji študiji so znanstveniki Argonne razvili katalitični material, ki je, ko je bil dodan v majhni količini žveplovi katodi, v bistvu odpravil problem izgube žvepla. Medtem ko je ta katalizator pokazal obetavnost v celicah laboratorijske in komercialne velikosti, je njegov delovni mehanizem v atomskem merilu do zdaj ostal uganka.

Najnovejša raziskava ekipe je osvetlila ta mehanizem. V odsotnosti katalizatorja se na površini katode tvorijo litijevi polisulfidi, ki so podvrženi vrsti reakcij, pri čemer se katoda na koncu pretvori v litijev sulfid (Li2S).

"Toda prisotnost majhne količine katalizatorja v katodi je pomembna," je dejal Xu. »Sledi precej drugačna reakcijska pot, brez vmesnih reakcijskih korakov.«

Ključna je tvorba gostih nanometrskih mehurčkov litijevih polisulfidov na površini katode, ki se brez katalizatorja ne pojavijo. Ti litijevi polisulfidi se med praznjenjem hitro razširijo po strukturi katode in se preoblikujejo v litijev sulfid, sestavljen iz nanometrskih kristalitov. Ta postopek preprečuje izgubo žvepla in upad učinkovitosti celic komercialne velikosti.

Pri odklepanju te črne skrinjice okrog reakcijskega mehanizma so znanstveniki uporabili najsodobnejše tehnike karakterizacije. Analize strukture katalizatorja z intenzivnimi sinhrotronskimi rentgenskimi žarki na žarkovni liniji 20-BM Advanced Photon Source, uporabniškega objekta urada za znanost DOE, so pokazale, da ima ključno vlogo v reakcijski poti. Struktura katalizatorja vpliva na obliko in sestavo končnega produkta ob izpustu, pa tudi na vmesne produkte. S katalizatorjem se ob popolni izpraznitvi tvori nanokristalni litijev sulfid. Brez katalizatorja se namesto tega oblikujejo paličaste strukture v mikroskopih.

"Prizadevanja naše ekipe bi lahko ZDA pripeljala velik korak bližje bolj zeleni in bolj trajnostni prometni pokrajini." — Gui-Liang Xu, kemik v Argonnovem oddelku za kemijske znanosti in inženiring

Druga ključna tehnika, razvita na univerzi Xiamen, je ekipi omogočila vizualizacijo vmesnika elektroda-elektrolit na nanometru, medtem ko je testna celica delovala. Ta na novo izumljena tehnika je pomagala povezati spremembe na nanometru z obnašanjem delujoče celice.

"Na podlagi našega vznemirljivega odkritja bomo opravili več raziskav, da bi oblikovali še boljše žveplove katode," je dejal Xu. "Prav tako bi bilo vredno raziskati, ali ta mehanizem velja za druge baterije naslednje generacije, kot je natrijev žveplo."

S tem zadnjim odkritjem ekipe se zdi prihodnost litij-žveplovih baterij svetlejša, saj ponuja bolj trajnostno in okolju prijazno rešitev za transportno industrijo.

Članek o tej raziskavi je bil objavljen v Nature. Poleg Xuja so avtorji še 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 in Hong-Gang Liao.

Druge sodelujoče ustanove vključujejo Univerzo Xiamen, Pekinško univerzo za kemijsko tehnologijo in Univerzo Nanjing. Raziskavo Argonne je podprl Urad za tehnologijo vozil DOE v Uradu za energetsko učinkovitost in obnovljivo energijo.

O naprednem viru fotonov

Napredni fotonski vir (APS) ameriškega ministrstva za energijo iz urada za znanost v Nacionalnem laboratoriju Argonne je eno izmed najbolj produktivnih objektov rentgenskih žarkov na svetu. APS zagotavlja rentgenske žarke z visoko svetlostjo raznoliki skupnosti raziskovalcev materialov, kemije, fizike kondenziranih snovi, znanosti o življenju in okolju ter uporabnih raziskav. Ti rentgenski žarki so idealni za raziskovanje materialov in bioloških struktur; elementarna porazdelitev; kemična, magnetna, elektronska stanja; in široko paleto tehnološko pomembnih inženirskih sistemov od baterij do brizgalnih vbrizgov goriva, ki so vsi temelji gospodarskega, tehnološkega in fizičnega počutja našega naroda. Vsako leto več kot 5,000 raziskovalcev uporablja APS za izdelavo več kot 2,000 publikacij, v katerih so podrobno odkrita odkritja, in reševanje vitalnejših struktur bioloških beljakovin kot uporabniki katere koli druge raziskovalne ustanove s svetlobo. Znanstveniki in inženirji APS inovirajo tehnologijo, ki je v središču napredka pri pospeševanju in delovanju svetlobnih virov. To vključuje naprave za vstavitev, ki proizvajajo rentgenske žarke z izjemno svetlostjo, ki jih cenijo raziskovalci, leče, ki usmerjajo rentgenske žarke navzdol na nekaj nanometrov, instrumente, ki maksimizirajo način delovanja rentgenskih žarkov z vzorci, ki se preučujejo, in programsko opremo, ki zbira in upravlja ogromno količino podatkov, ki izhajajo iz raziskav odkrivanja na APS.

V tej raziskavi so bili uporabljeni viri iz naprednega fotonskega vira, ameriškega ministrstva za uporabništvo urada DOE, ki je za pogodbo št. DE-AC02-06CH11357 vodil Nacionalni laboratorij DOE, ki ga izvaja Nacionalni laboratorij Argonne.

####

O DOE/Argonne National Laboratory
Nacionalni laboratorij Argonne išče rešitve za pereče nacionalne probleme v znanosti in tehnologiji. Prvi nacionalni laboratorij v državi, Argonne, izvaja vrhunske temeljne in uporabne znanstvene raziskave v skoraj vseh znanstvenih disciplinah. Raziskovalci Argonne tesno sodelujejo z raziskovalci iz več sto podjetij, univerz ter zveznih, državnih in občinskih agencij, da bi jim pomagali rešiti njihove posebne težave, napredovali v ameriškem znanstvenem vodstvu in pripravili državo na boljšo prihodnost. Z zaposlenimi iz več kot 60 držav Argonne upravlja UChicago Argonne, LLC za Urad ameriškega ministrstva za energijo.

Urad ameriškega ministrstva za energijo je edini največji podpornik temeljnih raziskav na področju fizikalnih znanosti v ZDA in si prizadeva za reševanje nekaterih najnujnejših izzivov našega časa. Za več informacij obiščite https://energy.gov/science.

Za več informacij kliknite tukaj

Kontakt:
Diana Anderson
DOE/Nacionalni laboratorij Argonne

Avtorske pravice © DOE/Nacionalni laboratorij Argonne

Če imate komentar, prosim Kontakt nas.

Izdajalci novic, ne 7th Wave, Inc. ali Nanotechnology Now, so izključno odgovorni za točnost vsebine.

Zaznamek:

Sorodne povezave

NASLOV ČLANKA

Povezane novice Press

Novice in informacije

Raziskovalci Univerze Chung-Ang so razvili nov biosenzor DNK za zgodnjo diagnozo raka materničnega vratu: elektrokemični senzor, izdelan iz kompozita nanoplastnih grafitnih nano čebule/molibdenovega disulfida, zazna humani papilomavirus (HPV)-16 in HPV-18 z visoko specifičnostjo September 8th, 2023

Nova spojina sprosti imunski sistem pri metastazah September 8th, 2023

Strojno učenje prispeva k boljšemu kvantnemu odpravljanju napak September 8th, 2023

Testi niso odkrili nobenih prostostoječih nanocevk, ki bi se sproščale zaradi obrabe tekalne plasti pnevmatike September 8th, 2023

Kvant omogoča raziskovalcem, da vidijo nevidno September 8th, 2023

slikanje

Kvant omogoča raziskovalcem, da vidijo nevidno September 8th, 2023

USTC je dosegel dinamično slikanje medfazne elektrokemije Avgust 11th, 2023

Odkritje lahko vodi do tehnologije terahercev za kvantno zaznavanje: Lastnosti kovinskega oksida bi lahko omogočile širok razpon fotonike frekvence terahercev Julij 21st, 2023

Slika zdravja: Raziskovalci Virginia Tech izboljšajo biološko slikanje in zaznavanje s kvantno fotoniko Junij 30th, 2023

Laboratoriji

Novi katalizator bi lahko dramatično zmanjšal onesnaževanje z metanom iz milijonov motorjev: Raziskovalci so pokazali način za odstranitev močnega toplogrednega plina iz izpušnih plinov motorjev, ki uporabljajo zemeljski plin. Julij 21st, 2023

Izkušnja nekovalentne vezi: Znanstveniki odkrivajo nove strukture za edinstvene hibridne materiale s spreminjanjem njihovih kemičnih vezi Julij 21st, 2023

Razkritje kvantnega plesa: Eksperimenti razkrivajo povezavo vibracijske in elektronske dinamike: povezava elektronske in jedrske dinamike, razkrita v molekulah z ultrahitrimi laserji in rentgenskimi žarki Julij 21st, 2023

Vladna zakonodaja / uredba / financiranje / politika

Kvant omogoča raziskovalcem, da vidijo nevidno September 8th, 2023

Kloridni ioni iz morske vode obravnavani kot možna zamenjava za litij v baterijah prihodnosti Avgust 11th, 2023

Tattoo tehnika prenaša zlate nanovzorce na žive celice Avgust 11th, 2023

Nove raziskave spodbujajo sedanjost in prihodnost računalništva Julij 21st, 2023

Možne prihodnosti

Nova spojina sprosti imunski sistem pri metastazah September 8th, 2023

Strojno učenje prispeva k boljšemu kvantnemu odpravljanju napak September 8th, 2023

Testi niso odkrili nobenih prostostoječih nanocevk, ki bi se sproščale zaradi obrabe tekalne plasti pnevmatike September 8th, 2023

Odkritja

Elektronska detekcija nanokroglic DNK omogoča preprosto odkrivanje patogenov Recenzirana publikacija September 8th, 2023

Usposabljanje kvantnih računalnikov: fiziki so prejeli prestižno IBM-ovo nagrado September 8th, 2023

Sprostitev kvantnega potenciala: Izkoriščanje visokodimenzionalnih kvantnih stanj s QD in OAM: Generiranje skoraj determinističnih zapletenih stanj na osnovi OAM ponuja most med fotonskimi tehnologijami za kvantni napredek September 8th, 2023

Testi niso odkrili nobenih prostostoječih nanocevk, ki bi se sproščale zaradi obrabe tekalne plasti pnevmatike September 8th, 2023

Obvestila

Elektronska detekcija nanokroglic DNK omogoča preprosto odkrivanje patogenov Recenzirana publikacija September 8th, 2023

Usposabljanje kvantnih računalnikov: fiziki so prejeli prestižno IBM-ovo nagrado September 8th, 2023

Strojno učenje prispeva k boljšemu kvantnemu odpravljanju napak September 8th, 2023

Testi niso odkrili nobenih prostostoječih nanocevk, ki bi se sproščale zaradi obrabe tekalne plasti pnevmatike September 8th, 2023

Avtomobilizem / Prevoz

Testi niso odkrili nobenih prostostoječih nanocevk, ki bi se sproščale zaradi obrabe tekalne plasti pnevmatike September 8th, 2023

Raziskovalci razvijajo inovativno orodje za merjenje dinamike elektronov v polprevodnikih: vpogledi lahko vodijo do energetsko učinkovitejših čipov in elektronskih naprav Marec 3rd, 2023

Poleg litija: obetaven katodni material za magnezijeve polnilne baterije: znanstveniki odkrivajo optimalno sestavo za magnezijevo sekundarno katodo baterije za doseganje boljše ciklične sposobnosti in visoke kapacitete baterije Februar 10th, 2023

Tehnologija akumulatorjev / Kondenzatorji / Generatorji / Piezoelektriki / Termoelektrike / Shranjevanje energije

Kloridni ioni iz morske vode obravnavani kot možna zamenjava za litij v baterijah prihodnosti Avgust 11th, 2023

Karbokatalizatorji na osnovi grafena: sinteza, lastnosti in aplikacije – onkraj meja Junij 9th, 2023

Usmerjanje mehanske energije v želeno smer April 14th, 2023

Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
ChartPrime. Izboljšajte svojo igro trgovanja s ChartPrime. Dostopite tukaj.
BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
vir: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392