Amikor a lítiumionok be- és kiáramlanak az akkumulátor elektródájából töltés és kisütés közben, apró oxigén szivárog ki, és az akkumulátor&feszültsége - annak mértéke, hogy mekkora energiát szolgáltat - ugyanolyan apró mértékben elhalványul. A veszteségek idővel növekednek, és végül 10-15% -kal elhasználhatják az akkumulátor&energiatárolási kapacitását.
A kutatók most soha nem látott részletességgel mérték ezt a szuperlassú folyamatot, megmutatva, hogy az oxigénatomok kiszabadulásakor keletkezett lyukak vagy üres helyek hogyan változtatják meg az elektróda&szerkezetét és kémiáját, és fokozatosan csökkentik az általa tárolható energiát.
Az eredmények ellentmondanak néhány feltételezésnek, amelyet a tudósok ezzel a folyamattal kapcsolatban megfogalmaztak, és új módszereket javasolhatnak az elektródák mérésére annak megakadályozására.
Az Energiaügyi Minisztérium' SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratóriuma és a Stanfordi Egyetem kutatócsoportja leírta a Nature Energy munkáját.
& quot; Nagyon alacsony fokú oxigént csepegtettünk ki, olyan lassan, több száz ciklus alatt," - mondta Peter Csernica, a Stanford PhD hallgatója, aki Will Chueh docenssel dolgozott a kísérleteken." Az a tény, hogy' ilyen lassú, szintén megnehezítette a felismerést."
Kétirányú hintaszék
A lítium-ion akkumulátorok úgy működnek, mint egy hintaszék, és a lítiumionokat oda-vissza mozgatják két elektród között, amelyek ideiglenesen tárolják a töltést. Ideális esetben ezek az ionok az egyetlen dolog, ami az egyes elektródákat alkotó nanorészecskék milliárdjaiból mozog ki és be. De a kutatók egy ideje tudják, hogy oxigénatomok szivárognak ki a részecskékből, amikor a lítium előre-hátra mozog. A részleteket nehéz meghatározni, mert az ezekből a szivárgásokból származó jelek túl kicsiek ahhoz, hogy közvetlenül meg lehessen mérni őket.
Az oxigénszivárgás teljes mennyisége, több mint 500 akkumulátor töltési és kisütési ciklus alatt, 6%,&"; - mondta Csernica." Ez a' nem olyan kis szám, de ha megpróbálja megmérni az egyes ciklusok során kijövő oxigén mennyiségét, akkor ez' egy százalék."
Ebben a tanulmányban a kutatók ehelyett közvetett módon mérték a szivárgást azzal, hogy megvizsgálták, hogyan módosítja az oxigénveszteség a részecskék kémiáját és szerkezetét. Többféle hosszban követték nyomon a folyamatot - a legapróbb nanorészecskéktől kezdve a nanorészecskék halmazán át az elektróda teljes vastagságáig.
Mivel az oxigénatomok olyan nehézkesen mozoghatnak szilárd anyagokban olyan hőmérsékleten, ahol az elemek működnek, a hagyományos bölcsesség az volt, hogy az oxigénszivárgás csak a nanorészecskék felszínéről származik, mondta Chueh, bár ez vita tárgyát képezte.
Ahhoz, hogy közelebbről megismerhesse, mi történik' a kutatócsoport különböző időtartamokon át kerékpározta az elemeket, szétszedte őket és szeletelte az elektród nanorészecskéket részletes vizsgálat céljából a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumba' s Haladó fényforrás. Ott egy speciális röntgenmikroszkóp szkennelte a mintákat, nagy felbontású képeket készített és vizsgálta az egyes apró foltok kémiai összetételét. Ezeket az információkat a ptychography nevű számítási technikával ötvözték, hogy feltárják a nanoszkóp részleteit, méter milliomod részeiben mérve.
Eközben a SLAC' Stanford Synchrotron fényforrásánál a csapat teljes elektródákon keresztül röntgenfelvételt készített, hogy megerősítse, hogy amit nanoszkóp szinten láttak, az sokkal nagyobb mértékben is igaz.
Pattanás, majd csepegés
A kísérleti eredményeket összehasonlítva az oxigénveszteség bekövetkezésének számítógépes modelljeivel, a csapat arra a következtetésre jutott, hogy egy kezdeti oxigénkitörés távozik a részecskék felszínéről, amelyet nagyon lassan csepegtet a belső tér. Ahol a nanorészecskék összecsaptak, és nagyobb csomókat képeztek, a csomó közepe közelében lévők kevesebb oxigént veszítettek, mint a felszín közelében.
Chueh szerint egy másik fontos kérdés az, hogy az oxigénatomok vesztesége hogyan befolyásolja a hátrahagyott anyagot." Ez' valójában egy nagy rejtély," ő mondta. Képzeljük el, hogy a nanorészecskék atomjai olyanok, mint a szorosan összepakolt gömbök. Ha folyamatosan veszi ki az oxigénatomokat, az egész összeomolhat és sűrűsödhet, mert a szerkezet szeret szorosan megpakolni."
Mivel az elektróda' szerkezetének ezen aspektusát nem lehetett közvetlenül leképezni, a tudósok ismét más típusú kísérleti megfigyeléseket hasonlítottak össze a különböző oxigénveszteség-forgatókönyvek számítógépes modelljeivel. Az eredmények azt mutatták, hogy a megüresedett helyek továbbra is fennállnak - az anyag nem zuhan le és sűrűsödik -, és arra utalnak, hogy ezek hogyan járulnak hozzá az akkumulátor fokozatos csökkenéséhez.
Ha oxigén távozik, a környező mangán-, nikkel- és kobaltatomok vándorolnak. Minden atom ideális helyzetéből táncol, &; - mondta Chueh." A fémionok ezen átrendeződése, valamint a hiányzó oxigén által okozott kémiai változások, idővel rontják az akkumulátor feszültségét és hatékonyságát. Az emberek már régóta ismerik ennek a jelenségnek a vonatkozásait, de a mechanizmus nem volt világos."
Most azt mondta:" megvan ez a tudományos, alulról felfelé építkező megértés" ez az akkumulátorromlás fontos forrása, amely új módszerekhez vezethet az oxigénveszteség és annak káros hatásainak enyhítéséhez.
