世界上最小的电池实时观察纳米线阳极以帮助改善锂电池

2019-04-15 09:14:20
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Sandia国家实验室研究员Jianyu Huang领导的团队创造了世界上最小的电池的台式版本 - 阳极是一根人体头发厚度的七分之一纳米线。

为了更好地研究阳极的特性,微型可充电锂基电池是在综合纳米技术中心(CINT)的透射电子显微镜(TEM)内形成的,这是由桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的能源部研究机构。 。

Huang在12月10日出版的“ 科学 ” 杂志上报道说,“这项实验使我们能够实时和原子尺度分辨研究电池的充电和放电,从而扩大了我们对基本机制的理解。哪些电池工作。“

由于锂离子电池中基于纳米线的材料可以显着改善体电极上的功率和能量密度,因此对其操作性能进行更严格的调查应该可以改进新一代插电式混合动力电动汽车,笔记本电脑和手机。

“我们工作的动力是什么,”黄说,“锂离子电池[LIB]具有非常重要的应用,但目前LIB的低能量和低功率密度无法满足需求。为了提高性能,我们希望从中了解LIBs自下而上,我们认为现场TEM可以为这个问题带来新的见解。“

电池研究小组确实使用纳米材料作为阳极,但是散装而不是单独使用 - 黄说,这个过程类似于“看着森林,试图了解一棵树的行为”。

由Huang和同事创建的微型电池由直径100纳米,长10微米的单个氧化锡纳米线阳极,3毫米长的块状钴酸锂阴极和离子液体电解质组成。该装置能够在各个“树木”的充电和放电期间直接观察原子结构的变化。

研究人员意外地发现,氧化锡纳米线棒在充电过程中的长度几乎翻了一倍 - 远远超过其直径增加 - 这一事实可以帮助避免可能缩短电池寿命的短路。“制造商应该考虑到电池设计的这种延长,”黄说。(该领域工人普遍认为电池的直径会膨胀,而不是纵向膨胀。)

黄氏集团通过沿着纳米线行进锂离子的进展发现了这一缺陷,并创造了研究人员称之为“美杜莎前线”的领域 - 高密度移动位错导致纳米线随着前沿的进展而弯曲和摆动。位错网由晶格的锂渗透引起。“这些观察证明,纳米线可以承受由锂化引起的大应力(> 10 GPa)而不会断裂,这表明纳米线非常适合电池电极,”Huang说。

“我们的观察 - 最初让我们感到惊讶 - 告诉电池研究人员这些位错是如何产生的,它们在充电过程中如何演变,并提供如何减轻它们的指导,”黄说。“这是对研究人员到目前为止所取得的电池充电过程中发生的最接近的观点。”

Huang说,锂离子电池中锂离子引起的体积膨胀,塑性和粉末化是影响锂离子电池高容量阳极性能和寿命的主要机械缺陷。“因此,我们对结构动力学和非晶化的观察[正常晶体结构的变化]对高能电池设计和减少电池故障具有重要意义。”

研究人员的测量系统产生的电子噪声水平太高而无法读取电流,但Sandia的共同作者John Sullivan估计,在充电和放电过程中纳米线中流动的皮安电流水平。Huang说,纳米线充电电压约为3.5伏。

皮安是微安的百万分之一。微安培是安培的百万分之一。

单个纳米线的充电和放电过程的原子级检查不可能的原因是因为TEM中的高真空使得难以使用液体电解质。黄氏集团的部分成就是证明低蒸气压离子液体 - 基本上是熔盐 - 可以在真空环境中发挥作用。

虽然这项工作是使用氧化锡(SnO2)纳米线进行的,但实验可以扩展到其他材料系统,用于阴极或阳极研究,Huang说。

“我们开发的方法应该激发对电池微观过程的广泛实时研究,并使人们更加全面地了解控制电池性能和可靠性的机制,”他说。“我们的实验也为电化学反应的原位研究奠定了基础,并将在能量储存,腐蚀,电沉积和一般化学合成研究领域产生广泛影响。”

其他为这项工作做出贡献的研究人员包括Sandia的刘晓华,Nicholas Hudak,Arunkumar Subramanian和Hong You Fan; 李忠,斯科特毛泽东和匹兹堡大学张强; 王崇民,太平洋西北国家实验室吴旭; 宾夕法尼亚大学的Liang Qi,Akihiro Kushima和Ju Li。

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