Meta l-joni tal-litju jimxu 'l ġewwa u 'l barra minn elettrodu tal-batterija waqt l-iċċarġjar u l-ħatt, jidher daqsxejn ta' ossiġnu u l-vultaġġ tal-batterija - kejl ta' kemm tagħti enerġija - jiċċara daqsxejn ċkejkna. It-telf jiżdied maż-żmien, u eventwalment jista 'jtapa l-kapaċità tal-ħażna tal-enerġija tal-batterija b'10-15%.
Issa r-riċerkaturi kejlu dan il-proċess super-bil-mod b'dettall bla preċedent, li juri kif it-toqob, jew il-postijiet vakanti, li tħallew billi jaħarbu l-atomi tal-ossiġnu jibdlu l-istruttura u l-kimika tal-elettrodu u jnaqqsu gradwalment kemm tista 'taħżen l-enerġija.
Ir-riżultati jikkontradixxu xi wħud mis-suppożizzjonijiet li x-xjentisti kienu għamlu dwar dan il-proċess u jistgħu jissuġġerixxu modi ġodda ta' elettrodi tal-inġinerija biex jipprevjenuh.
It-tim tar-riċerka mil-Laboratorju Nazzjonali tal-Aċċelleratur SLAC tad-Dipartiment tal-Enerġija u l-Università ta' Stanford iddeskriva x-xogħol tagħhom fl-Enerġija Tan-Natura llum.
"Aħna stajna nkejlu grad ċkejken ħafna ta 'ossiġnu trickling out, qatt bil-mod, fuq mijiet ta' ċikli," qal Peter Csernica, student Tal-PhD Stanford li ħadem fuq l-esperimenti mal-Professur Assoċjat Will Chueh. "Il-fatt li huwa daqshekk bil-mod huwa wkoll dak li għamilha diffiċli biex wieħed jinduna bih."
Siġġu tat-tbandil bidirezzjonali
Il-batteriji tal-jone tal-litju jaħdmu bħal siġġu tat-tbandil, joni tal-litju li jiċċaqalqu lura u 'l quddiem bejn żewġ elettrodi li temporanjament jiċċarġjaw. Idealment, dawk il-joni huma l-uniċi affarijiet li jiċċaqalqu 'l ġewwa u 'l barra mill-biljuni ta' nanopartiċelli li jiffurmaw kull elettrodu. Iżda r-riċerkaturi ilhom jafu għal xi żmien li l-atomi tal-ossiġnu jnixxu mill-partiċelli hekk kif il-litju jimxi lura u 'l quddiem. Id-dettalji kienu diffiċli biex jinżlu minħabba li s-sinjali minn dawn it-tnixxijiet huma żgħar wisq biex jitkejlu direttament.
"L-ammont totali ta ' tnixxija ta ' ossiġnu, aktar minn 500 ċiklu ta ' l-iċċarġjar u l-ħatt tal-batterija, huwa 6%," qal Csernica. "Dan mhux numru żgħir bħal dan, imma jekk tipprova tkejjel l-ammont ta 'ossiġnu li joħroġ matul kull ċiklu, huwa madwar wieħed minn mija ta' fil-mija."
F'dan l-istudju, ir-riċerkaturi kejlu t-tnixxija indirettament minflok, billi ħarsu lejn kif it-telf tal-ossiġnu jimmodifika l-kimika u l-istruttura tal-partiċelli. Huma segwew il-proċess f'diversi skali tat-tul - mill-aktar nanopartiċelli żgħar sa ma jbajdu n-nanopartiċelli sal-ħxuna sħiħa ta' elettrodu.
Minħabba li huwa daqshekk diffiċli għall-atomi tal-ossiġnu li jiċċaqalqu f'materjali solidi fit-temperaturi fejn joperaw il-batteriji, l-għerf konvenzjonali kien li t-tnixxijiet tal-ossiġnu jiġu biss mill-uċuħ tan-nanopartiċelli, Chueh qal, għalkemm dan kien għad-dibattitu.
Biex jagħti ħarsa aktar mill-qrib lejn dak li qed jiġri, it-tim tar-riċerka ċċirkla l-batteriji għal ammonti differenti ta 'żmien, ħaduhom bogħod minn xulxin, u qatgħu n-nanopartiċelli tal-elettrodu għal eżami dettaljat fis-Sors Tad-Dawl Avvanzat tal-Laboratorju Nazzjonali lawrence Berkeley. Hemmhekk, mikroskopju speċjalizzat tar-raġġi X skannjat madwar il-kampjuni, li jagħmel immaġini ta 'res għoli u jipprobixxi l-għamla kimika ta' kull tikka ċkejkna. Din l-informazzjoni ġiet ikkombinata ma' teknika komputazzjonali msejħa ptychography biex tiżvela dettalji fuq skala nanoskala, imkejla f'biljuni ta' miter.
Sadanittant, fis-Sors tad-Dawl Stanford Synchrotron tal-SLAC, it-tim spara r-raġġi X permezz ta 'elettrodi sħaħ biex jikkonferma li dak li kienu qed jaraw fil-livell tan-nanoskala kien veru wkoll fuq skala ferm akbar.
Fqigħ, imbagħad trickle
Meta tqabbel ir-riżultati sperimentali ma 'mudelli tal-kompjuter ta' kif jista 'jseħħ it-telf tal-ossiġnu, it-tim ikkonkluda li fqigħ inizjali tal-ossiġnu joħroġ mill-uċuħ tal-partiċelli, segwit minn trickle bil-mod ħafna mill-intern. Fejn in-nanopartiċelli glomed flimkien biex jiffurmaw ċapep akbar, dawk qrib iċ-ċentru tal-clump tilfu inqas ossiġnu minn dawk ħdejn il-wiċċ.
Mistoqsija oħra importanti, Chueh qal, huwa kif it-telf ta 'atomi ossiġnu jaffettwa l-materjal li ħallew warajhom. "Dan fil-fatt huwa misteru kbir," huwa qal. "Immaġinaw li l-atomi fin-nanopartikoli huma bħal sferi ppakkjati mill-qrib. Jekk tibqa 'tieħu l-atomi tal-ossiġnu, il-ħaġa kollha tista' tiġġarraf u tiddenisifika, minħabba li l-istruttura tħobb tibqa 'ppakkjata mill-qrib."
Peress li dan l-aspett tal-istruttura tal-elettrodu ma setax jidher direttament, ix-xjentisti reġgħu qabblu tipi oħra ta' osservazzjonijiet sperimentali kontra mudelli tal-kompjuter ta' diversi xenarji ta' telf ta' ossiġnu. Ir-riżultati indikaw li l-postijiet vakanti jippersistu - il-materjal ma jiġġarrafx u ma jiddenisifikax - u jissuġġerixxi kif dawn jikkontribwixxu għat-tnaqqis gradwali tal-batterija.
"Meta l-weraq tal-ossiġnu, il-manganiż tal-madwar, in-nikil u l-atomi tal-kobalt jemigraw. L-atomi kollha qed jiżfnu mill-pożizzjonijiet ideali tagħhom," qal Chueh. "Dan l-arranġament mill-ġdid tal-joni tal-metall, flimkien ma' bidliet kimiċi kkawżati mill-ossiġnu nieqes, jiddegrada l-vultaġġ u l-effiċjenza tal-batterija maż-żmien. In-nies ilhom jafu b'dan il-fenomenu għal żmien twil, iżda l-mekkaniżmu ma kienx ċar."
Issa, huwa qal, "għandna dan il-fehim xjentifiku u minn isfel għal fuq" ta 'dan is-sors importanti ta' degradazzjoni tal-batterija, li jista 'jwassal għal modi ġodda ta' mitigazzjoni tat-telf tal-ossiġnu u l-effetti ta 'ħsara tiegħu.
