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Wissenschaftler verwenden "Smart Window", um den Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie zu beobachten
Apr 17, 2018

Wissenschaftler verwenden "Smart Window", um den Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie zu beobachten

 

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Diese Figuren zeigen die schweizerisch-käseähnliche Struktur einer ultradünnen Nickeloxidplatte, die als eine Elektrode in einer Lithiumionenbatterie verwendet wird: (a) vor dem Betrieb der Batterie; (b) während des Entladens; (c) während des Ladevorgangs; und (d) nach einem vollständigen Zyklus des Entladens und Ladens. Die blauen Pfeile zeigen die Richtung der chemischen Reaktionen an, die sich während des Betriebs der Batterie durch das Material ausbreiten. (F. Lin ua / Nature Communications)

 

Durch den Einsatz ultradünner Schichten aus Smart-Window-Material Nickeloxid als Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie konnten die Forscher zum ersten Mal genau sehen, was passiert, wenn die Lithiumionen der Batterie mit der Nickeloxidschicht in Kontakt kommen und wie Die resultierende Reaktion breitet sich von mehreren verschiedenen Punkten aus.

 

High-Tech- "intelligente Fenster", die verdunkeln, um Sonnenlicht als Reaktion auf elektrischen Strom herauszufiltern, funktionieren ähnlich wie Batterien. Röntgenuntersuchungen bei SLAC geben nun einen glasklaren Einblick, wie sich das farbverändernde Material in diesen Fenstern in einer funktionierenden Batterie verhält - Informationen, die Akkus der nächsten Generation nutzen könnten.

Die Forscher installierten ultradünne Schichten von Smart-Window-Material, Nickeloxid, als Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie und verwendeten Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) von SLAC und Ausrüstung in anderen Labors, um die sich ändernde Chemie und 3-D-Eigenschaften zu studieren.

"Wir haben unsere Aufmerksamkeit von der Änderung der Farbe dieser Materialien auf die Verwendung von Lithiumionen verlagert, aber das Prinzip ist das gleiche", sagte Feng Lin von Lawrence Berkeley National Laboratory, Hauptautor der Studie, in Nature Communications veröffentlicht .

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https://youtu.be/-a8Uaaatgw8


Eine Batterie bei der Arbeit beobachten: Diese Animation zeigt eine 3-D-Rekonstruktion einer Nickeloxid-Nanofolie, die während des Ladevorgangs in einer Lithium-Ionen-Batterie mit Tomographie erstellt wurde. Die Nickeloxidplatte wurde in einer der Elektroden der Batterie verwendet. (F. Lin ua / Nature Communications)

Intelligente Fenster haben mehrere Glasschichten, die ultradünne Filme oder nanokristalline Beschichtungen aus Materialien wie Nickeloxid umgeben. Wenn ein kleines elektrisches Feld angelegt wird, bewegt sich die Ladung durch das Glas zu dem ultradünnen Material, das als eine Elektrode dient, und das Fenster wird von klar zu dunkel.

 

Frühere Studien haben gezeigt, dass die Wechselwirkung dieser speziellen dünnen Materialien mit dem umgebenden Glas strukturelle Veränderungen verursacht, die den Fluss der elektrischen Ladung durch das Glas erleichtern - eine Eigenschaft, die auch für Batterien von Vorteil ist.

 

In dieser Studie, die Nickeloxid als Batterieelektrode nutzt, konnten die Forscher zum ersten Mal genau sehen, was passiert, wenn die Lithiumionen der Batterie mit der Nickeloxidschicht in Kontakt kommen und wie sich die Reaktion von mehreren Punkten ausbreitet.

 

"Es beginnt wie ein Samen", sagte Tsu-Chien Weng, ein SSRL-Wissenschaftler, der an der Forschung mitarbeitete. "Dann gibt es mehrere verschiedene Fronten für die Reaktion und schließlich wird ein metallisches Gerüst gebildet."

 

Darüber hinaus beobachteten die Forscher, wie die Oberfläche des Nickeloxidmaterials beim Laden und Entladen der Batterie "atmet".

 

"Wir haben festgestellt, dass diese Schicht an der Oberfläche wächst und sich ausbreitet", sagte Dennis Nordlund, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter von SSRL, der an der Forschung teilnahm. "Dann geht die Schicht weg. Es verschwindet fast vollständig. Es ist wie eine Atmungsschicht. Es ist nicht notwendigerweise spezifisch für Nickeloxid und hat weitreichende Auswirkungen auf die Batteriematerialien. "

 

Dieser zyklische Aufbau von Ablagerungen aus dem Elektrolyten, der üblicherweise als Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche bezeichnet wird, ist ein wesentlicher Bestandteil der meisten Batteriematerialien, war jedoch "ein kleines Geheimnis", sagte Nordlund, da es im Allgemeinen schwierig ist, während des Studiums zu studieren der Betrieb einer Batterie.

 

In einer typischen Lithium-Ionen-Batterie wandern geladene Lithiumionen durch eine chemische Lösung - den Elektrolyten - in die Anode, wenn die Batterie geladen wird, und in die Gegenelektrode, die Kathode, wenn die Batterie entladen wird.

 

Da sich die auf dem Nickeloxidmaterial beobachtete Atmungsschicht aufbaut und dann verschwindet, könnte sie möglicherweise das Wachstum von "Dendriten", baumartigen Fingern von Lithium, die bekanntermaßen auf anderen Arten von Batteriematerialien gebildet werden und die Batterieleistung beeinträchtigen, begrenzen.

 

"Wenn Sie die Schicht radieren und loswerden können, damit sie sich im Laufe der Zeit nicht aufbaut, wäre das ein großer Schritt vorwärts", sagte Nordlund.

 

Die Forscher nutzten eine Technik, die bei SSRL als Röntgenabsorptionsspektroskopie bekannt ist, um das Nickeloxidmaterial während des Betriebs der Batterie in Tiefen von etwa 5 und 50 Nanometern oder einem Milliardstel Meter zu untersuchen.

 

"Es stellt sich heraus, dass diese unterschiedlichen Sondierungstiefen perfekt geeignet sind, um die elektronische Struktur an der Oberfläche von Batteriematerialien zu untersuchen", sagte Nordlund und fügte hinzu, dass diese Fähigkeiten bei SSRL ein Fenster zur Erforschung vieler Materialien in aktiven Zuständen eröffnen. "Wir fühlen uns wirklich einzigartig positioniert, um viele verschiedene Probleme in der Energiewissenschaft mit der gleichen Methodik anzugehen."

Die explorativen Röntgentools bei SLAC und anderen Labors waren entscheidend für das Verständnis der Eigenschaften des Nickeloxid-Materials im Nanobereich, sagte Ryan Richards, ein Chemieprofessor an der Colorado School of Mines, der an der Studie beteiligt war.

 

"Wir haben eine Reihe von Vorschlägen eingereicht, um verschiedene Arten von Materialien zu untersuchen - wie sie sich bilden und welche Eigenschaften ihre Oberflächen haben", sagte Richards. Er sagte, dass seine fortlaufende Zusammenarbeit mit den SSRL-Mitarbeitern "wirklich zu einer guten Beziehung aufblüht".

 

Die SSRL-Ergebnisse wurden mit anderen Erkenntnissen von Mitarbeitern, einschließlich detaillierter 3-D-Bilder und Filme, die am Brookhaven National Laboratory produziert wurden, gekoppelt. Huolin Xin vom Brookhaven Lab stellte das Forschungsteam zusammen, dem auch Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory und der Monash University in Australien angehörten.

 

Veröffentlichung: F. Lin, D. Nordlund, et al., "Phasenentwicklung für Konversionsreaktionselektroden in Lithium-Ionen-Batterien", Nature Communications, 24. Februar 2014; doi: 10.1038 / ncomms4358

 

Quelle: Glenn Roberts Jr., SLAC National Accelerator Laboratory