Поскольку спрос на смартфоны, электромобили и возобновляемые источники энергии продолжает расти, ученые ищут способы улучшить литий-ионные батареи - самый распространенный тип батареи, найденный в бытовой электронике, и перспективное решение для хранения энергии в сетке. Увеличение плотности энергии литиево-ионных батарей может способствовать развитию передовых технологий с использованием долговечных батарей, а также широкому использованию энергии ветра и солнечной энергии. Теперь исследователи добились значительного прогресса в достижении этой цели.
Сотрудничество под руководством ученых из Университета штата Мэриленд (UMD), Национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории и Исследовательской лаборатории армии США разработало и изучило новый материал катода, который мог бы утроить плотность энергии литий-ионного аккумулятор электроды. Их исследование было опубликовано 13 июня в Nature Communications .
«Литиево-ионные батареи состоят из анода и катода, - сказал Xiulin Fan, ученый из UMD и один из ведущих авторов этой статьи. «По сравнению с большой емкостью коммерческих графитовых анодов, используемых в литиево-ионных батареях, емкость катодов гораздо более ограничена. Катодные материалы всегда являются узким местом для дальнейшего улучшения плотности энергии литий-ионных батарей».
Ученые из UMD синтезировали новый катодный материал, модифицированную и спроектированную форму трифторида железа (FeF3), который состоит из экономически эффективных и экологически чистых элементов - железа и фтора. Исследователи были заинтересованы в использовании химических соединений, таких как FeF3, в литиево-ионных батареях, потому что они предлагают по своей природе более высокие емкости, чем традиционные катодные материалы.
«Материалы, обычно используемые в литий-ионных батареях, основаны на химии интеркаляции», - сказал Эньюан Ху, химик из Брукхейвена и один из ведущих авторов статьи. «Этот тип химической реакции очень эффективен, однако он переносит только один электрон, поэтому емкость катода ограничена. Некоторые соединения, такие как FeF3, способны переносить несколько электронов через более сложный механизм реакции, называемый реакцией конверсии».
Несмотря на потенциал FeF3 увеличить емкость катода, соединение не исторически хорошо работало в литий-ионных батареях из-за трех осложнений с его реакцией конверсии: низкая энергетическая эффективность (гистерезис), медленная скорость реакции и побочные реакции, которые могут вызвать плохой срок службы велосипеда , Чтобы преодолеть эти проблемы, ученые добавили атомы кобальта и кислорода к нанорам FeF3 через процесс, называемый химическим замещением. Это позволило ученым манипулировать реакционным путем и сделать его более «обратимым».
«Когда литиевые ионы вводятся в FeF3, материал превращается в железо и фторид лития», - сказал Сойон Хван, соавтор статьи и ученый из Центра функциональных наноматериалов (БФБ) в Брукхейвене. «Однако реакция не полностью обратима. После замены кобальтом и кислородом основной каркас катодного материала лучше поддерживается, и реакция становится более обратимой».
Чтобы исследовать путь реакции, ученые провели много экспериментов в CFN и Национальном синхротронном источнике света II (NSLS-II) - двух учреждениях Министерства образования США в Брукхейвене.
Сначала у CFN исследователи использовали мощный пучок электронов, чтобы посмотреть на наностержни FeF3 с разрешением 0,1 нанометра - методом, называемым просвечивающей электронной микроскопией (TEM). Эксперимент ТЕА позволил исследователям определить точный размер наночастиц в катодной структуре и проанализировать, как изменилась структура между различными фазами процесса заряд-разряд. Они видели более быструю скорость реакции для замещенных наностержней.
«TEM является мощным инструментом для характеристики материалов на очень малых масштабах длины, и он также способен исследовать процесс реакции в реальном времени», - сказал Донг Су, ученый из CFN и один из авторов исследования. «Однако мы можем видеть только ограниченную область выборки с использованием TEM. Нам нужно было полагаться на синхротронные методы в NSLS-II, чтобы понять, как функционирует вся батарея».
На пучке луча пучков рентгеновских лучей NSLS-II (XPD) ученые направили ультра-яркие рентгеновские лучи через материал катода. Анализируя, как рассеялся свет, ученые могли «видеть» дополнительную информацию о структуре материала.
«В XPD мы провели измерения парной функции распределения (PDF), которые способны обнаруживать локальные упорядочения железа на большом объеме», - сказал Цзяньминь Бай, соавтор статьи и ученый из NSLS-II. «Анализ PDF на разряженных катодах ясно показал, что химическое замещение способствует электрохимической обратимости».
Сочетание высокотехнологичных методов визуализации и микроскопии в CFN и NSLS-II было важным шагом для оценки функциональности материала катода.
«Мы также выполнили передовые вычислительные подходы, основанные на теории функционала плотности, чтобы расшифровать механизм реакции в атомном масштабе», - сказал Сяо Цзи, ученый UMD и соавтор статьи. «Этот подход показал, что химическое замещение переместило реакцию в сильно обратимое состояние, уменьшив размер частиц железа и стабилизировав покровную фазу». Ученые УМД говорят, что эта стратегия исследования может быть применена к другим высокоэнергетическим конверсионным материалам, а в будущих исследованиях используйте подход для улучшения других аккумуляторных систем.
