Ученые из США используют нейтроны для разработки более безопасных и быстро заряжающихся твердотельных батарей:
Группа ученых под руководством Университета Дьюка обнаружила, как сделать аккумуляторы более безопасными, заряжающимися быстрее и имеющими более длительный срок службы.
Этот прорыв был достигнут благодаря более глубокому пониманию движения лития на атомном уровне в перспективном материале для твердотельных аккумуляторов, хлориде лития фосфора и серы (Li6PS5Cl). Для этой цели исследователи провели нейтронное рассеяние в Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL).
«Наше исследование было направлено на то, чтобы выяснить, что происходит внутри этих материалов, используя возможности рассеяния нейтронов и крупномасштабного компьютерного моделирования», — сказал Оливье Делайр, доцент Университета Дьюка и руководитель исследовательской группы.
Хлорид лития фосфора и серы (Li6PS5Cl) — это тип материала для твердотельных аккумуляторов, известный как суперионное соединение.
«Суперионные материалы представляют собой промежуточный режим между кристаллическим и жидким состояниями вещества», — пояснили исследователи в своем исследовании.
Объединение эксперимента и вычислений
Для исследования атомной структуры этого материала группа использовала нейтроны на установке Spallation Neutron Source (SNS) в ORNL.
Эти эксперименты были объединены со сложными компьютерными симуляциями, выполненными в Национальном центре энергетических исследований и научных вычислений. Это сочетание экспериментальных и вычислительных подходов дало детальное представление на атомном уровне о том, как ведут себя ионы лития в твердом теле.
Они обнаружили, что ионы лития перемещаются в этом твердом материале так же легко, как и в жидких электролитах. Это наблюдение имеет решающее значение, поскольку подвижность ионов имеет основополагающее значение для работы батареи.
Для осуществления зарядки и разрядки ионы должны свободно перемещаться между клеммами аккумулятора. Легкость, с которой литий перемещается в этом твердом материале, предполагает потенциал как для более быстрой, так и для более безопасной зарядки.
Эти результаты могут привести к созданию твердотельных электролитов (ТЭ) следующего поколения, которые сочетают в себе преимущества как твердых, так и жидких электролитов.
«Две большие проблемы, но и возможности, с которыми мы сталкиваемся, — это понимание того, как работают эти материалы, и как проектировать следующее поколение батарей. Рассеивание нейтронов необходимо для их проектирования», — отметил Делайр.
Решающая роль нейтронов
Хотя SSE предлагают такие преимущества, как более высокая плотность энергии, повышенная безопасность и пониженная горючесть по сравнению с жидкими электролитами, они столкнулись с проблемами из-за более низкой подвижности ионов. Ионы должны свободно перемещаться для зарядки и разрядки, и жидкие электролиты традиционно были более эффективными в этом отношении.
Группа использовала нейтроны для изучения поведения лития, поскольку нейтроны особенно чувствительны к более легким элементам, таким как литий, что дает важную информацию о твердотельном суперионном материале.
«Нейтроны предоставляют информацию о том, где происходят события, которые мы не смогли бы увидеть иным способом», — сказал Даг Абернати, руководитель группы спектроскопии прямой геометрии SNS.
Используя методы нейтронной спектроскопии в SNS, включая широкополосный угловой прерывательный спектрометр (ARCS) и спектрометр обратного рассеяния (BASIS), ученые измерили и смоделировали диффузию лития, выявив его удивительную легкость перемещения внутри твердого материала.
Влияние исследований и тенденции
«Наши результаты имеют большое значение, поскольку они открывают путь к оптимизации проводимости ионов внутри материала, тем самым открывая путь к повышению производительности аккумулятора», — заключил Нареш Ости, специалист по рассеянию нейтронов в ORNL.
В настоящее время энергетический сектор бурно развивается благодаря разработкам в области твердотельных аккумуляторов.
Поскольку они обещают произвести революцию в нескольких отраслях промышленности — от электромобилей до устройств хранения энергии, исследователи по всему миру стремятся усовершенствовать эти батареи.
Недавно японская исследовательская группа создала квазитвердотельную литий-ионную батарею (ЛИБ), которая не воспламеняется.
Кроме того, американский стартап QuantumScape начал мелкосерийное производство своих ячеек B-sample, которые заряжаются до 80% за 15 минут и обеспечивают плотность энергии 800 Вт·ч/л.
Читайте нашу главную страницу — Взгляд в будущее, Инновации, Технологии, Наука, Новые открытия, Изобретения