Kun litiumionit virtaavat sisään ja ulos akun elektrodista latauksen ja purkamisen aikana, pieni osa happea imeytyy ulos ja akun' jännite - mitta, kuinka paljon energiaa se tuottaa - hiipuu yhtä pienen bitin. Häviöt kasvavat ajan myötä ja voivat lopulta tyhjentää akun&energian varastointikapasiteetin 10-15%.
Nyt tutkijat ovat mitanneet tämän erittäin hitaan prosessin ennennäkemättömällä yksityiskohdalla ja osoittaneet, kuinka pakenevien happiatomien jättämät aukot tai tyhjät tilat muuttavat elektrodin rakennetta ja kemiaa ja vähentävät vähitellen energian määrää.
Tulokset ovat ristiriidassa joidenkin tutkijoiden tämän prosessin kanssa tekemien oletusten kanssa ja voivat ehdottaa uusia tapoja suunnitella elektrodeja sen estämiseksi.
Energiaministeriön' SLAC: n kansallisen kiihdytinlaboratorion ja Stanfordin yliopiston tutkimusryhmä kuvailivat työnsä tänään Nature Energyssä.
& quot; Pystyimme mittaamaan hyvin pienen määrän happea vuotavan, aina niin hitaasti, satojen jaksojen aikana," kertoi Stanfordin tohtorikoulutettava Peter Csernica, joka työskenteli kokeissa apulaisprofessori Will Chuehin kanssa." Se, että se' on niin hidas, on myös se, mikä vaikeutti sen havaitsemista."
Kaksisuuntainen keinutuoli
Litium-ioniakut toimivat kuin keinutuoli, liikuttaen litiumioneja edestakaisin kahden väliaikaisesti varaavan elektrodin välillä. Ihannetapauksessa nämä ionit ovat ainoita asioita, jotka liikkuvat sisään ja ulos miljardeista nanohiukkasista, jotka muodostavat kunkin elektrodin. Mutta tutkijat ovat jo jonkin aikaa tienneet, että happiatomit vuotavat hiukkasista litiumin liikkuessa edestakaisin. Yksityiskohtia on ollut vaikea selvittää, koska näiden vuotojen signaalit ovat liian pieniä mitata suoraan.
& "Happivuodon kokonaismäärä yli 500 akun lataus- ja purkaussyklin aikana on 6%, &"; Csernica sanoi." Että' ei ole niin pieni määrä, mutta jos yrität mitata jokaisen syklin aikana ulos tulevan hapen määrän, se' on noin yksi sadasosa prosenttia."
Tässä tutkimuksessa tutkijat mitasivat vuotoa sen sijaan epäsuorasti tarkastelemalla, kuinka hapen menetys muuttaa hiukkasten kemiaa ja rakennetta. He seurasivat prosessia useilla pituusalueilla - pienimmistä nanohiukkasista nanohiukkasten kokoihin elektrodin koko paksuuteen.
Koska happiatomien on niin vaikea liikkua kiinteissä aineissa lämpötiloissa, joissa paristot toimivat, perinteinen viisaus on ollut, että happivuodot tulevat vain nanohiukkasten pinnoilta, Chueh sanoi, vaikka tämä onkin ollut keskustelua varten.
Saadakseen tarkemman käsityksen siitä, mitä&# 39: ssä tapahtuu, tutkimusryhmä pyöritti paristoja eri aikoja, irrotti ne ja leikkasi elektrodin nanohiukkaset yksityiskohtaista tutkimusta varten Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa' s Edistynyt valonlähde. Siellä erikoistunut röntgenmikroskooppi skannasi näytteiden yli, tehden korkean resoluution kuvia ja tutkien jokaisen pienen paikan kemiallista meikkiä. Tämä tieto yhdistettiin laskentatekniikkaan, jota kutsutaan ptychographyiksi, paljastamaan nanoskaalan yksityiskohdat, mitattuna miljardisosina metristä.
Samaan aikaan SLAC: n' s Stanford Synchrotron -valolähteessä joukkue ampui röntgensäteitä kokonaisten elektrodien läpi vahvistaakseen, että nanoskaalatasolla näkemä oli totta myös paljon laajemmassa mittakaavassa.
Räjähdys, sitten pisara
Vertaamalla kokeellisia tuloksia tietokonemalleihin siitä, miten happihäviö voi tapahtua, joukkue päätyi siihen, että ensimmäinen hapen puhkeaminen pakenee hiukkasten pinnoilta, jota seuraa hyvin hidas virtaus sisätiloista. Kun nanohiukkaset nousivat yhteen muodostaen suurempia kokoja, ne, jotka olivat lähellä kokooman keskustaa, menettivät vähemmän happea kuin lähellä pintaa.
Toinen tärkeä kysymys, Chueh sanoi, on se, miten happiatomien menetys vaikuttaa materiaaliin, jonka he jättivät jälkeensä." Se' on todella suuri mysteeri," hän sanoi. Kuvittele, että nanohiukkasten atomit ovat kuin läheisesti pakatut pallot. Jos jatkat happiatomien poistamista, koko asia voi kaatua ja tiivistyä, koska rakenne haluaa pysyä tiiviisti pakattuna."
Koska elektrodin' rakenteen tätä näkökohtaa ei voitu kuvata suoraan, tutkijat vertasivat jälleen muun tyyppisiä kokeellisia havaintoja erilaisten hapen menetysskenaarioiden tietokonemalleihin. Tulokset osoittivat, että avoimet työpaikat jatkuvat - materiaali ei kaadu ja tiivisty - ja ehdottaa, kuinka ne vaikuttavat akun' asteittaiseen heikkenemiseen.
& "Kun happi lähtee, ympäröivät mangaani-, nikkeli- ja kobolttiatomit kulkeutuvat. Kaikki atomit tanssivat ihanteellisesta sijainnistaan, &; Chueh sanoi. &: Tämä metalli-ionien uudelleenjärjestely sekä puuttuvan hapen aiheuttamat kemialliset muutokset heikentävät akun jännitettä ja tehokkuutta ajan myötä. Ihmiset ovat tunteneet tämän ilmiön näkökohdat jo pitkään, mutta mekanismi oli epäselvä."
Nyt hän sanoi:" meillä on tämä tieteellinen, alhaalta ylöspäin suuntautuva ymmärrys" tämän tärkeän akun heikkenemisen lähteen, mikä voi johtaa uusiin tapoihin vähentää happihäviötä ja sen vahingollisia vaikutuksia.
