Исследователи впервые наблюдали как ионы лития проходят через интерфейс батареи, что может помочь инженерам оптимизировать характеристики материала.
С помощью интерпретации и анализа рентгеновских снимков, исследователи из МТИ, Стэнфордского университета, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Исследовательского института Toyota совершили серьёзные открытия, касающиеся реактивности фосфата лития-железа — материала, используемого в аккумуляторах электромобилей и других аккумуляторных батареях. Новый метод открыл несколько феноменов, которые ранее увидеть было невозможно, включая вариации в скорости реакций интеркаляции лития на различных участках наночастиц фосфата лития-железа.
Самая серьёзная находка работы — то, что все эти вариации в скорости реакций связаны с разницей в толщине углеродного покрытия на поверхности частиц, — может привести к повышению эффективности зарядки и разрядки этих батарей.
«В этом исследовании мы поняли, что на самом деле динамику работы батарей контролирует их интерфейс, особенно это касается современных батарей, состоящих из наночастиц активного материала. Это означает, что мы должны сконцентрироваться на проектировании этого интерфейса», — говорит Мартин Базант, профессор химических технологий и профессор математики в Массачусетском технологическом институте, главный соавтор исследования.
Такой подход к пониманию физики сложных структур может также быть использован применительно к множеству других материалов, не только другим типам батарей, но также к биологическим системам, таким как деление клеток в развивающемся эмбрионе.
«Больше всего в этой работе нас радует возможность делать снимки системы, которая находится в стадии образования некой структуры, и способности понять руководящими этим процессом принципы», — говорит Базант.
Хонбо Джао, PhD, бывший магистрант МТИ, ныне постдок Принстонского университета — ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature. Также соавторами исследования являются Ричард Братц, профессор химических технологий МТИ, Уильям Чуэй, адъюнкт-профессор материаловедения и инжиниринга Стэнфордского университета и директор Совместного батарейного центра SLAC и Стэнфордского университета, и Брайан Стори, старший управляющий по энергетике и материалам в Исследовательском институте Toyota.
«До сих пор мы делали эти замечательные рентгеновские видео наночастиц батарей в действии, но было очень сложно измерить и понять нюансы их функционирования, поскольку эти видео представляют собой огромный массив информации», — говорит Чуэй. «Применив к этим роликам нано-масштаба технологию искусственного интеллекта, мы можем получить знания, которые раньше были недоступны».
Моделирование скорости реакций
Электроды литий-железо-фосфатных аккумуляторов состоят из множества частиц фосфата лития-железа, помещённых в раствор электролита. Типичная частица имеет диаметр в 1 микрон и толщину около 100 нанометров. При разрядке батареи ионы лития переходят из раствора электролита в материал за счёт электрохимической реакции, известной как ионная интеркаляция. Когда батарея заряжается, реакция интеркаляции происходит в обратном направлении, и ионы поворачиваются вспять.
«Фосфат лития-железа (LFP) является важным материалом для батарей в силу своей низкой стоимости, хороших показателей безопасности и изобилию используемых в нём элементов», — говорит Стори. «Мы наблюдаем рост использования LFP на рынке электромобилей, так что лучшего времени для проведения исследования невозможно себе представить».
До этого исследования Базант много занимался теоретическим моделированием структур, образуемых при литий-ионной интеркаляции.Фосфат лития-железа предпочитает находиться в одной из двух стабильных фаз: либо наполненным ионами лития, либо пустым. Начиная с 2005 года Базант работает над математическими моделями этого феномена, известного как фазоразделение, при котором образуются определённые структуры потока ионов лития под воздействием реакций интеркаляции. В 2015 году, во время своего академического отпуска в Стэнфорде, он начал сотрудничать с Чуэем, пытаясь интерпретировать изображения частиц фосфата железа-лития, полученные с помощью сканирующей трансмиссионной рентгеновской микроскопии.
Используя данный вид микроскопии исследователи могут получать изображения, показывающие концентрацию ионов лития пиксель за пикселем, на каждой точке частицы. Они могут сканировать частицы по нескольку раз, пока те заряжаются или разряжаются, что позволяет им создавать ролики, показывающие поток ионов лития внутрь частиц и обратно.
В 2017 году Базант и его коллеги по SLAC были профинансированы Исследовательским институтом Toyota для проведения дальнейших исследований с использованием данного метода, а также для других проектов, связанных с аккумуляторами.
Проанализировав рентгеновские изображения 63 частиц фосфата лития-железа, исследователи обнаружили, что движение ионов лития внутри материала было почти идентичным компьютерной симуляции, созданной ранее Базантом. Используя для измерений все 180000 пикселей, исследователи обучили вычислительную модель, чтобы получить уравнения, которые точно описывают неравновесную термодинамику и кинетику реакций используемых в аккумуляторах материалов.
«Каждый маленький пиксель там скачет из полного в пустое, из полного в пустое. А мы фиксируем весь процесс, используя наши уравнения чтобы понять что происходит», — говорит Базант.
Исследователи также обнаружили, что наблюдаемые ими модели потока ионов лития могут показать пространственные вариации в скорости поглощения ионов на каждом участке поверхности частицы.
«Настоящим сюрпризом для нас стало то, что мы смогли понять гетерогенность системы, в данном случае — вариации в скорости реакций на поверхности, просто рассматривая эти картинки», — говорит Базант. «Похоже, что есть участки побыстрее, есть участки помедленнее».
Более того, исследователи показали, что эта разница в скорости реакций коррелирует с толщиной углеродной оболочки на поверхности частиц фосфата лития-железа. Это углеродное покрытие наносится на фосфат лития-железа, чтобы он проводил электричество — в противном случае проводимость материала будет слишком низкой и бесполезной для использования в батарее.
«Мы на нано-уровне обнаружили, что вариативность толщины углеродного покрытия напрямую контролирует скорость реакции, и это невозможно было бы выяснить без всего этого моделирования и анализа изображений», — говорит Базант.
Также эти данные дают количественное подтверждение гипотезы, выдвинутой Базантом несколько лет назад: что производительность электродов фосфата лития-железа в первую очередь ограничена скоростью связанного ионно-электронного перехода на границе между твёрдой частицей и углеродным покрытием, а не скоростью литий-ионной диффузии в твёрдом теле.
Оптимизированные материалы
Результаты этого исследования предполагают, что оптимизация толщины углеродного слоя на поверхности электрода поможет исследователям разработать батареи, которые будут работать эффективнее, — говорят исследователи.
«Это первое исследование, где напрямую удалось связать свойство материала батареи с физическим свойством покрытия”, — говорит Базант. «При оптимизации и проектировании батарей следует сконцентрироваться на контроле кинетики реакции на границе электролита и электрода».
«Эта публикация — кульминация шести лет упорства и сотрудничества», — говорит Стори.
«Данная технология позволит нам раскрыть внутренний потенциал батарей так, как это ранее было невозможно. Нашей следующей целью является улучшение дизайна аккумуляторов с использованием этих новых знаний».
Помимо использования этого типа анализа для других материалов батарей, Базант ожидает, что его можно использовать для изучения формирования моделей в других химических и биологических системах.
Эта работа проводилась при поддержке Исследовательского института Toyota по программе «Проектирование и открытие ускоренных материалов».
Автор статьи — Энн Трэфтон (Anne Trafton), MIT News.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Вам также может быть интересно:
