673886040@qq.com
Попиксельный рентгеновский анализ: революция в понимании литий-ионных аккумуляторов
Впервые исследователи наблюдали, как ионы лития проходят через интерфейс батареи, что может помочь инженерам оптимизировать конструкцию материала.
Исследователи из Массачусетского технологического института, Стэнфордского университета, Национального ускорителя SLAC и Исследовательского института Toyota добились прорыва в понимании литий-железо-фосфата, важнейшего материала для аккумуляторов. Используя расширенный анализ рентгеновских изображений, они обнаружили, что различия в эффективности этого материала связаны с толщиной его углеродного покрытия. Это понимание может привести к улучшению производительности батареи.
Изучая данные рентгеновских изображений, исследователи из Массачусетского технологического института, Стэнфордского университета, Национального ускорителя SLAC и Исследовательского института Toyota сделали важные новые открытия о реакционной способности литий-железо-фосфата, материала, используемого в батареях для электромобилей и других перезаряжаемых аккумуляторах. батареи.
Новый метод выявил несколько явлений, которые ранее невозможно было увидеть, в том числе изменения скорости реакций интеркаляции лития в разных областях наночастицы литий-железо-фосфата.
Самый важный практический вывод статьи — что эти изменения в скорости реакции коррелируют с различиями в толщине углеродного покрытия на поверхности частиц — может привести к повышению эффективности зарядки и разрядки таких батарей.
Разработка интерфейсов
«Из этого исследования мы узнали, что именно интерфейсы действительно контролируют динамику батареи, особенно в современных батареях, изготовленных из наночастиц активного материала. Это означает, что наше внимание должно быть сосредоточено на разработке этого интерфейса», — говорит Мартин Базант, руководитель E.G. Роос, профессор химической инженерии и профессор математики Массачусетского технологического института, который является старшим автором исследования.
Этот подход к раскрытию физики, лежащей в основе сложных структур изображений, также может быть использован для получения информации о многих других материалах, не только о других типах батарей, но и о биологических системах, таких как делящиеся клетки в развивающемся эмбрионе.
«Что мне больше всего интересно в этой работе, так это возможность делать снимки системы, в которой формируется некий шаблон, и изучать принципы, которые этим управляют», — говорит Базант.
Совместные исследования
Хунбо Чжао, доктор философии '21, бывший аспирант Массачусетского технологического института, а сейчас постдок в Принстонском университете, является ведущим автором нового исследования, которое было опубликовано 13 сентября в журнале Nature. Среди других авторов — Ричард Братц, профессор химической инженерии Эдвина Р. Гиллиленда в Массачусетском технологическом институте; Уильям Чуэ, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Стэнфорде и директор Стэнфордского аккумуляторного центра SLAC; и Брайан Стори, старший директор по энергетике и материалам Исследовательского института Toyota.
«До сих пор мы могли снимать эти красивые рентгеновские снимки наночастиц батарей в работе, но было сложно измерить и понять тонкие детали того, как они функционируют, потому что фильмы были очень насыщены информацией», — говорит Чуэ. «Применяя обучение изображениям к этим наноразмерным фильмам, мы можем извлечь информацию, которая ранее была невозможна».
Моделирование скорости реакции
Электроды литий-железо-фосфатной батареи состоят из множества мельчайших частиц литий-железо-фосфата, окруженных раствором электролита. Типичная частица имеет диаметр около 1 микрона и толщину около 100 нанометров. Когда аккумулятор разряжается, ионы лития переходят из раствора электролита в материал в результате электрохимической реакции, известной как интеркаляция ионов. Когда аккумулятор заряжается, реакция интеркаляции меняется на противоположную, и ионы текут в противоположном направлении.
«Литий-железо-фосфат (LFP) является важным материалом для аккумуляторов из-за низкой стоимости, хороших показателей безопасности и использования большого количества элементов», — говорит Стори. «Мы наблюдаем рост использования LFP на рынке электромобилей, поэтому время для проведения этого исследования выбрано как нельзя лучше».
Перед нынешним исследованием Базант проделал большую работу по теоретическому моделированию структур, образующихся в результате интеркаляции ионов лития. Литий-железофосфат предпочитает существовать в одной из двух стабильных фаз: либо полной ионов лития, либо пустой. С 2005 года Базант работает над математическими моделями этого явления, известного как фазовое разделение, которое генерирует характерные закономерности потока литий-ионов, вызванного реакциями интеркаляции. В 2015 году, находясь в творческом отпуске в Стэнфорде, он начал работать с Чуэ, пытаясь интерпретировать изображения частиц литий-железо-фосфата, полученные с помощью сканирующей туннельной рентгеновской микроскопии.
Используя этот тип микроскопии, исследователи могут получать изображения, которые попиксельно показывают концентрацию ионов лития в каждой точке частицы. Они могут сканировать частицы несколько раз по мере их заряда или разряда, что позволяет им создавать фильмы о том, как ионы лития входят в частицы и выходят из них.
В 2017 году Базант и его коллеги из SLAC получили финансирование от Исследовательского института Toyota для продолжения исследований с использованием этого подхода, а также других исследовательских проектов, связанных с аккумуляторами.
Идеи и выводы
Анализируя рентгеновские изображения 63 частиц литий-железо-фосфата во время их зарядки и разрядки, исследователи обнаружили, что движение ионов лития внутри материала может быть почти идентично компьютерному моделированию, созданному Базантом ранее. Используя все 180 000 пикселей в качестве измерений, исследователи обучили вычислительную модель создавать уравнения, которые точно описывают неравновесную термодинамику и кинетику реакций материала батареи.
«Каждый маленький пиксель прыгает от полного к пустому, от полного к пустому. И мы составляем карту всего этого процесса, используя наши уравнения, чтобы понять, как это происходит», — говорит Базант.
Исследователи также обнаружили, что наблюдаемые ими закономерности потока ионов лития могут выявить пространственные различия в скорости поглощения ионов лития в каждом месте на поверхности частицы.
«Для нас было настоящим сюрпризом то, что мы смогли изучить неоднородности системы — в данном случае изменения скорости поверхностной реакции — просто глядя на изображения», — говорит Базант. «Есть регионы, которые кажутся быстрыми, и другие, которые кажутся медленными».
Кроме того, исследователи показали, что эти различия в скорости реакции коррелируют с толщиной углеродного покрытия на поверхности литий-железного ph.
частицы фосфата. Это углеродное покрытие наносится на литий-железо-фосфат, чтобы помочь ему проводить электричество — в противном случае материал будет проводить слишком медленно, чтобы его можно было использовать в качестве батареи.
«На наноуровне мы обнаружили, что изменение толщины углеродного покрытия напрямую контролирует скорость, чего вы никогда не смогли бы понять, если бы у вас не было всего этого моделирования и анализа изображений», — говорит Базант.
Результаты также количественно подтверждают гипотезу, сформулированную Базантом несколько лет назад: характеристики литий-железо-фосфатных электродов ограничиваются в первую очередь скоростью связанного ионно-электронного переноса на границе между твердой частицей и углеродным покрытием, а не скоростью скорость диффузии ионов лития в твердом теле.
Оптимизированные материалы
Результаты этого исследования показывают, что оптимизация толщины углеродного слоя на поверхности электрода может помочь исследователям разработать батареи, которые будут работать более эффективно, говорят исследователи.
«Это первое исследование, в котором удалось напрямую связать свойства материала батареи с физическими свойствами покрытия», — говорит Базант. «При оптимизации и проектировании батарей основное внимание должно быть уделено контролю кинетики реакции на границе раздела электролита и электрода».
«Эта публикация является кульминацией шести лет самоотверженной работы и сотрудничества», — говорит Стори. «Эта техника позволяет нам раскрыть внутреннюю работу батареи способом, который ранее был невозможен. Наша следующая цель — улучшить конструкцию аккумуляторов, применив это новое понимание».
Базант ожидает, что помимо использования этого типа анализа на других материалах аккумуляторов он может быть полезен для изучения формирования структур в других химических и биологических системах.
