Ранее неизвестный путь к батареям

Ученые обнаружили удивительный способ улучшить литий-серные батареи, визуализируя взаимодействия на атомном уровне.

Путь от лабораторного прогресса к практическим технологиям может быть долгим и тернистым. Примером этого является литий-серная батарея. Он имеет заметные преимущества перед обычными Литий-ионные аккумуляторы Эксплуатационные транспортные средства. Но оно пока не оказало влияния на рынок, несмотря на интенсивное развитие на протяжении многих лет.

Эта ситуация может измениться в будущем благодаря усилиям ученых Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. За последнее десятилетие они сделали несколько важных открытий, связанных с литий-серными батареями. Их последнее открытие, опубликованное в журнале Nature, открывает ранее неизвестный механизм реакции, который устраняет главный недостаток: очень короткий срок службы батарей.

«Усилия нашей команды могут сделать Соединенные Штаты на большой шаг ближе к более экологичному и устойчивому транспортному ландшафту», — сказал Джои Лян Сюй, химик из отдела химических наук и инженерии Аргонна.

Литий-серные батареи обладают тремя важными преимуществами по сравнению с современными литий-ионными батареями. Во-первых, они могут хранить в два-три раза больше энергии в заданном объеме, что приводит к увеличению запаса хода автомобиля. Во-вторых, его низкая стоимость, чему способствует обилие и доступность серы, делает его экономически жизнеспособным. Наконец, эти батареи не зависят от критически важных ресурсов, таких как кобальт и никель, дефицит которых может возникнуть в будущем.

Несмотря на эти преимущества, переход от лабораторного успеха к коммерческой жизнеспособности оказался невозможным. Лабораторные элементы показали многообещающие результаты, но при масштабировании до коммерческих размеров их производительность быстро снижается при повторной зарядке и разрядке.

Основная причина такого снижения производительности заключается в растворении серы на катоде во время разряда, что приводит к образованию растворимого полисульфида лития (Li₂с₆). Эти соединения попадают в отрицательный электрод (анод) металлического лития во время зарядки, усугубляя проблему. Таким образом, потери серы с катода и изменение состава анода существенно ухудшают работу аккумулятора во время циклирования.

в последние дни Предыдущее исследованиеАргоннские ученые разработали катализатор, который при добавлении в небольшом количестве к серному катоду существенно устраняет проблему потери серы. Хотя этот катализатор показал многообещающие результаты как в коммерческих, так и в лабораторных клетках, механизм его действия на атомном уровне до сих пор оставался загадкой.

Последние исследования команды пролили свет на этот механизм. В отсутствие катализатора на поверхности катода образуется полисульфид лития, который вступает в ряд реакций, в конечном итоге превращая катод в сульфид лития (Li₂с).

«Но наличие небольшого количества катализатора на катоде имеет большое значение», — сказал Шоу. «Это происходит по совершенно другому пути реакции, лишенному промежуточных стадий реакции».

Ключевым моментом является образование на поверхности катода плотных нанопузырьков полисульфида лития, которые не появляются без катализатора. Полисульфиды лития во время разряда быстро диффундируют по структуре катода и превращаются в сульфид лития, состоящий из наноразмерных кристаллов. Этот процесс предотвращает потерю серы и снижение производительности ячеек коммерческого размера.

Чтобы открыть этот черный ящик механизма реакции, ученые использовали передовые методы определения характеристик. Анализ структуры катализатора с использованием интенсивных синхротронных рентгеновских лучей на канале 20-BM Advanced Photon Source, пользовательского центра Министерства энергетики США, показал, что он играет решающую роль в ходе реакции. Структура катализатора влияет на форму и состав конечного продукта при выгрузке, а также промежуточных продуктов. С катализатором при полном разряде образуется нанокристаллический сульфид лития. Без катализатора вместо этого образуются микроскопические стержнеобразные структуры.

«Усилия нашей команды могут сделать Соединенные Штаты большим шагом ближе к более экологичному и устойчивому транспортному ландшафту». — Гуй Лян Сюй, химик факультета химической науки и техники Аргоннского университета.

Другая биотехнология, разработанная в Университете Сямэнь, позволила команде визуализировать интерфейс между электродом и электролитом на наноуровне во время работы испытательной ячейки. Этот недавно изобретенный метод помог связать наномасштабные изменения с поведением работающей клетки.

«Основываясь на нашем замечательном открытии, мы проведем дальнейшие исследования для разработки более эффективных серных катодов», — отметил Сюй. «Было бы также полезно изучить, применим ли этот механизм к другим батареям следующего поколения, таким как натриево-серные батареи».

Благодаря этому последнему достижению команды будущее литий-серных батарей выглядит еще ярче, обеспечивая более устойчивое и экологически чистое решение для транспортной отрасли.

Статья об этом исследовании появилась в природа. Помимо Сюя, в число авторов входят Сюань Чжоу, Цзи Ши, Санхэ Лю, Цзинь Ли, Фей Бай, Юху Чен, Цзюньсянь Дин, Цизен Чэн, Цзяи Ли, Чэнь Чжао, Аньхой Хуан, Чжэн Цзюнь Сунь, Юзе Лю, Юй Дин и Лин Хуан, Юй Цяо, Цзяньфэн Чен, Халил Амин, Ши Гансун и Хун Ган Ляо.

Среди других участвующих учреждений — Сямэньский университет, Пекинский химико-технологический университет и Нанкинский университет. Исследование Аргонна было поддержано Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии.

О усовершенствованном источнике фотонов

Усовершенствованный источник фотонов (APS) Управления науки Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных источников рентгеновского излучения в мире. APS обеспечивает рентгеновские лучи высокой яркости разнообразному сообществу исследователей в области материаловедения, химии, физики конденсированного состояния, наук о жизни, окружающей среды и прикладных исследований. Эти рентгеновские лучи идеально подходят для исследования биологических материалов и структур; распределение элементов, химические, магнитные и электронные состояния; и широкий спектр технологически значимых инженерных систем от аккумуляторов до топливных форсунок, которые составляют основу экономического, технологического и материального благополучия нашей страны. Каждый год более 5000 исследователей используют APS для создания более 2000 публикаций с подробным описанием важных открытий, решая больше биологических белковых структур, чем пользователи любого другого исследовательского центра рентгеновского излучения. Ученые и инженеры APS создают технологию, лежащую в основе современных источников света и процессов ускорения. Сюда входят устройства ввода, которые воспроизводят чрезвычайно яркие изображения. Результаты исследований Discovery в APS.

В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США, управляемого для Управления науки Министерства энергетики Аргоннской национальной лабораторией по контракту № DE-AC02-06CH11357.

Аргоннская национальная лаборатория Оно стремится найти решения актуальных национальных проблем в области науки и техники. Аргоннская лаборатория, первая национальная лаборатория страны, проводит новаторские фундаментальные и прикладные научные исследования практически во всех научных дисциплинах. Исследователи из Аргонна тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, а также федеральных, государственных и муниципальных учреждений, чтобы помочь им решить их конкретные проблемы, продвинуть научное лидерство Америки и подготовить нацию к лучшему будущему. Компания Argonne, в которой работают сотрудники из более чем 60 стран, управляется Очиаго Арджун, ООО к Управление науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США Он является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.