Tutkijat ratkaise magnesium mysteeri ladattavissa olevan akun suorituskyvyssä

MiniMx League 24.4.2010 (Saattaa 2019).

Anonim

Ladattavat akut, jotka perustuvat magnesiumia eikä litiumia, voivat laajentaa sähköauton valikoimaa pakkaamalla enemmän energiaa pienempiin akkuihin. Mutta ennakoimattomat kemialliset esteet ovat hidastaneet tieteellistä kehitystä.

Ja paikoissa, joissa kiinteä neste täyttyy - missä vastakkain ladatut akkuelektrodit toimivat vuorovaikutuksessa ympäröivän elektrolyytin kanssa, ovat tunnettuja ongelma-alueita.

Nyt Yhdysvaltain energiaministeriön energiavarastotietokeskuksen tutkimusryhmä, jota johtavat Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion (Berkeley Lab) tutkijat, on havainnut yllättävän joukon kemiallisia reaktioita magnesiumia vastaan, mikä heikentää akun suorituskykyä jo ennen kuin akku veloitetaan.

Tulokset voivat olla merkityksellisiä muille akkujen materiaaleille, ja ne voivat ohjata seuraavan sukupolven akkujen suunnittelua kiertoliikkeisiin, jotka välttävät nämä äskettäin tunnistetut iskuja.

Tiimi käytti röntgentutkimuksia, teoreettista mallinnusta ja supertietokoneiden simulaatioita, jotta se pystyy kehittämään täydellisen käsityksen nestemäisen elektrolyytin kemiallisesta hajoamisesta, joka esiintyy kymmeniin nanometreihin elektrodipinnalla, mikä heikentää akun suorituskykyä. Niiden havainnot julkaistaan ​​verkossa Chemistry of Materials -lehdessä.

Niissä oleva akku oli negatiivinen elektrodi (anodi), joka oli kosketuksissa nesteestä muodostuvaan elektrolyyttiin (diglyme-tyyppinen liuotin) ja liuennut suola Mg (TFSI) 2.

Vaikka niiden käyttämien materiaalien yhdistelmän uskottiin olevan yhteensopivia ja reagoimattomia akun lepovaiheessa, Berkeley Labin Advanced Light Source (ALS) -kokeet, röntgenlähde, jota kutsutaan synkrotroniksi, paljastivat, että näin ei ole ja johtavat tutkia uusia suuntiin.

"Ihmiset olivat ajatelleet näiden materiaalien ongelmia akun latauksen aikana, mutta kokeilut osoittivat, että jo tapahtui jonkin verran toimintaa", kertoo David Prendergast, joka ohjaa Nanostructured Materials Facilityin teoriaa Molecular Foundryssä ja toimi yhdeksi tutkimuksen johtajat.

"Siinä vaiheessa se sai erittäin mielenkiintoisen", hän sanoi. "Mikä voisi aiheuttaa näitä reaktioita sellaisten aineiden välillä, joiden on oletettava olevan vakaa näissä oloissa?"

Molekyyli Foundry tutkijat kehittivät yksityiskohtaisia ​​simulaatioita pisteestä, jossa elektrodi ja elektrolyytti täyttävät, tunnetaan käyttöliittymänä, mikä osoittaa, että spontaaneja kemiallisia reaktioita ei pitäisi esiintyä myös ihanteellisissa olosuhteissa. Simulaatioissa ei kuitenkaan otettu huomioon kaikkia kemiallisia yksityiskohtia.

"Ennen tutkimustemme", Ethan Crumlin, ALS-tiedemies, joka koordinoi röntgentutkimuksia ja johti tutkimusta Prendergastin kanssa, "epäiltiin näiden materiaalien käyttäytymistä ja mahdollisia yhteyksiä huonoon akun suorituskykyyn. ei ollut vahvistettu toimiva akku. "

Kaupallisesti suosittuja litium-ioniakkuja, jotka käyttävät monia kannettavia elektronisia laitteita (kuten matkapuhelimia, kannettavia tietokoneita ja sähkötyökaluja) ja kasvava sähköautojen kalusto, shuttle-litiumionit - litiumatomit, jotka latautuvat sähköä edestakaisin kahden akkuelektrodin välillä. Nämä elektrodimateriaalit ovat huokoisia atomi- asteikolla, ja ne ladataan tai tyhjennetään vaihtoehtoisesti litiumioneilla, kun akku ladataan tai poistetaan.

Tällaisessa akussa negatiivinen elektrodi koostuu tyypillisesti hiilestä, jolla on rajoitetummin kyky varastoida nämä litiumionit kuin muilla materiaaleilla.

Siten varastoidun litiumin tiheyden lisääminen käyttämällä toista materiaalia tekisi kevyemmistä, pienemmistä, tehokkaimmista akkuista. Esimerkiksi litiummetallin käyttäminen elektrodissa voi pakata useampaan litiumioniin samassa tilassa, vaikka se on erittäin reaktiivinen aine, joka palaa alttiina ilmalle ja vaatii lisätutkimuksia siitä, miten parhaiten pakataan ja suojataan sitä pitkällä aikavälillä, pitkän aikavälin vakaus.

Magnesiummetallilla on suurempi energiatiheys kuin litiummetallilla, joten voit varastoida enemmän energiaa samankokoiseen akkuun, jos käytät magnesiumia kuin litiumia.

Magnesium on myös stabiilimpi kuin litium. Sen pinta muodostaa itsensä suojaavan "hapettuneen" kerroksen, kun se reagoi ilmassa olevan kosteuden ja hapen kanssa. Mutta akun sisällä, tämän hapetetun kerroksen uskotaan vähentävän tehokkuutta ja lyhentää akun käyttöikää, joten tutkijat etsivät tapoja välttää sen muodostumista.

Tutkiakseen tämän kerroksen muodostumista tarkemmin, joukkue käytti äskettäin kehitettyä ainutlaatuista röntgentekniikkaa ALS: ssä, jota kutsutaan APXPS: ksi (ympäröivän paineen röntgenkuvaelektronispektroskopia). Tämä uusi tekniikka on herkkä kemikaalille, joka esiintyy kiinteän aineen ja nesteen rajapinnassa, mikä tekee siitä ihanteellisen välineen tutkia akunkemiaa elektrodin pinnalla, jossa se täyttää nestemäisen elektrolyytin.

Jo ennen kuin virtaa syötettiin testipariin, röntgensäteilyn tulokset osoittivat merkkejä elektrolyytin kemiallisesta hajoamisesta, erityisesti magnesiumelektrodin rajapinnasta. Tulokset pakottivat tutkijoita uudistamaan molekyylimittakaavan kuvan näistä materiaaleista ja siitä, miten ne toimivat vuorovaikutuksessa.

He päättivät, että itse stabiloiva, ohut oksidipintakerros, joka muodostuu magnesiumista, on vikoja ja epäpuhtauksia, jotka johtavat ei-toivottuja reaktioita.

"Se ei ole itse metallia tai sen oksideja, jotka ovat ongelma", Prendergast sanoi. "Se on se, että sinulla voi olla puutteita hapettuneessa pinnassa, nämä pienet erot tulevat reaktioita varten, sillä se syö itseään tällä tavalla."

Toinen kierros simulaatioista, jotka esittelivät mahdollisia vikoja hapetetussa magnesiumpinnassa, osoittivat, että anodin hapetetussa pintakerroksessa olevat virheet voivat altistaa magnesiumioneja, jotka toimivat sitten elektrolyytin molekyylien ansoina.

Jos vapaasti kelluvia hydroksidi-ioneja - molekyylejä, jotka sisältävät yhden happiatomin, joka on sitoutunut vetyatomiin, joka voi muodostua jäljitysmäärinä vettä reagoimaan magnesiummetallin kanssa, täyttävät nämä pintakytketyt molekyylit, ne reagoivat.

Tämä heikentää elektrolyyttiä kuivaamalla akun ajan. Ja näiden reaktioiden tuotteet rikkovat anodin pintaa, mikä heikentää akun toimintaa.

Se kesti useita iterointeja edestakaisin, kokeellisen ja teoreettisen ryhmän jäsenten välillä, kehittämään röntgenmittausten mukaista mallia. Ponnistuksia tuettiin miljoonien tuntia laskentateholla Labin National Energy Research Scientific Computing Centerissä.

Tutkijat pani merkille, että on tärkeää päästä röntgentekniikan tekniikoihin, nanomittakaavan asiantuntemukseen ja laskentaresursseihin samassa laboratoriossa.

Tulokset voivat olla merkityksellisiä myös muiden akkujen materiaaleille, mukaan lukien litium- tai alumiinimetallipohjaiset prototyypit. Prendergast sanoi, "Tämä voisi olla yleisempi ilmiö, joka määrittelee elektrolyyttitasapainon."

Crumlin lisäsi, "Olemme jo aloittaneet uusien simulaatioiden käyttämisen, jotka voisivat näyttää meille, kuinka muokata elektrolyyttiä näiden reaktioiden epävakauden vähentämiseksi." Samalla tavoin hän sanoi, että voi olla mahdollista räätälöidä magnesiumin pinta vähentää tai poistaa joitain ei-toivottua kemiallista reaktiivisuutta.

"Sen sijaan, että sallisi sen luoda oman käyttöliittymän, voit rakentaa sen itse ohjaamaan ja vakauttamaan käyttöliittymäkemia", hän lisäsi. "Tällä hetkellä se johtaa hallitsemattomiin tapahtumiin."

menu
menu