具有纳米级分子视图的更好的锂离子电池的自组装结构

锂离子电池二次离子质谱仪

科学家们将专门设计的锂离子电池装入二级离子质谱仪中,允许它们在电池操作时看到在分子水平处形成固体电解质相互作用。信用:andrea starr / pnnl

科学家更多地了解锂离子电池寿命的第一小时

第一小时的锂离子电池的寿命在很大程度上决定了它的表现如何。在那些时刻,一组分子自组装成电池内的结构,这些结构将在未来几年内影响电池。

“调查结果可能有助于他人定制电解质和电极的化学以使电池更好。”yabovip2021-zihua zhu

该组分,称为固体电解质相互作用或SEI,具有阻挡一些颗粒的关键作用,同时允许其他人在允许闪光时拒绝不期望的不期间的小酒馆。该结构是为几十年来研究过的科学家的谜。研究人员已经采取了多种技术来了解更多,但从来没有 - 直到现在 - 他们在分子水平目睹了它的创作。

了解有关SEI的更多信息,这是在道路上迈出了更加精力充沛,更长持久和更安全的锂离子电池的重要一步。

这项工作于2020年1月27日发布自然纳米技术,由美国能源省美国能源部西北国家实验室和美国陆军研究实验室的研究人员领导的国际科学家团队进行。通讯作者包括Zihua朱,崇明王和志家徐的Pnnl和美国陆军研究实验室的康旭。

为什么锂离子电池完全适用:SEI

固体电解质间隔是一种非常薄的材料薄膜,当首先构建电池时不存在。只有当电池被收取第一次收取时,分子才会聚集并电化学反应以形成结构,其用作允许锂离子在阳极和阴极之间来回通过的网关。至关重要的是,SEI强制电子采取绕道,这使得电池运行并使能量存储成为可能。

这是因为我们拥有锂离子电池,根本可以为我们的手机,笔记本电脑和电动车辆供电。

充电电动车

在PNNL科学家的优先事项列表中,创建持久较长的锂离子电池,更安全,更精力充沛。电池今天无处不在 - 在电动汽车,笔记本电脑,工具和手机中。

但科学家需要更多地了解这个网关结构。哪些因素将闪光灯与锂离子电池中的RIFFRAFF分开?需要包含在电解质中的哪些化学品,以及在什么浓度下,将本身形成为最有用的SEI结构,因此它们不会不断地从电解质中升高分子,损害电池性能?

科学家用各种成分合作,预测它们如何结合创造最佳结构。但是,如果没有了解如何创建固体电解质间相互作用的知识,科学家就像厨师玩杂耍成分,使用只有部分写入的烹饪书籍。

用新技术探索锂离子电池

为了帮助科学家更好地了解SEI,使用PNNL的专利技术来分析结构。科学家们使用了一个充满活力的离子束来隧道进入刚好形成的SEI,在操作电池中,将一些物料空气传输发送,并将其捕获用于分析,同时依赖于表面张力以帮助含有液体电解质。然后,团队使用质谱仪分析了SEI组件。

专利的方法,称为原位液体二次离子质谱或液体模拟器,允许团队获得前所未有的SEI,因为它形成了由工作锂离子电池呈现的索引问题。该技术是由朱先领导的团队创​​建的,在以前的SIMS工作由PNNL同事肖莹玉峪建设。

“我们的技术使我们对这种复杂结构中的分子活性提供了坚实的科学了解,”朱说。“调查结果可能有助于他人定制电解质和电极的化学以使电池更好。”yabovip2021

美国军队和PNNL研究人员合作

PNNL团队与康旭有关,该研究员与美国陆军研究实验室和电解质和SEI专家,他们在一起解决了这个问题。

科学家们证实了研究人员怀疑 - SEI由两层组成。但该团队进一步走了很多,指定了每层的精确化学化妆,并确定电池中发生的化学步骤以实现结构。

Zihua Zhu和Chongmin Wang

Zihua Zhu和Chongmin Wang是团队的一部分,学习了关于创建锂离子电池的关键组成部分的关键新信息。信用:andrea starr / pnnl

该团队发现,在阳极旁边的一层结构,薄而致密;这是释放电子但允许锂离子通过的层。电解质旁边的外层较厚,介导液体与SEI的其余部分之间的相互作用。内层有点难以达到较低,外后方更浓度,有点像被抑制的燕麦片之间的差异。

氟化锂的作用

该研究的一个结果是更好地理解氟化锂在锂离子电池中使用的电解质中的作用。包括康旭在内的几位研究人员表明,氟化锂中的SEIS更丰富的电池表现更好。该团队展示了氟化锂如何成为SEI内层的一部分,并且该研究结果提供了关于如何将更多氟纳进入结构的线索。

“通过这种技术,您不仅学到了存在的分子,而且还学习它们的结构方式,”王说。“这是这项技术的美丽。”

液体SIMS技术

科学家习惯于了解更多关于锂离子电池的液体模拟人生技术的插图。科学家们使用充满活力的离子束(黄色)通过阳极(橙色)来隧道,其连接在薄的氮化硅膜下方。当光束撞击电极 - 电解质界面,其中固体电解质相互作用(SEI)形式,其分子变为空气传播,可用于通过质谱仪进行分析。孔径如此窄,所以表面张力防止电解质散布。信用:2019年1月1日的物理化学信杂志的意图。版权所有2019美国化学学会。yabovip2021

参考:“实时质谱表征锂离子电池的固体电解质间相互作用”由Yufan Zhou,毛苏,小飞宇,延安张,君刚王,孝感,李铎曹,吴旭,唐纳德R.Baer,yingge du,Oleg Borodin,曼丁王,薛林王,康旭,志家徐,崇明王和Zihua Zhu,1月20日,自然纳米技术
DOI:10.1038 / S41565-019-0618-4

本质上发表的研究的PNNL部分由PNNL,Doe的能源效率和可再生能源的汽车技术办公室和美国德国对储能的合作提供资金。康旭的工作由Doe的科学储能研究中心提供资金。液体SIMS分析是在EMSL,环境分子科学实验室,位于PNNL的DOE办公室。

除了徐,王和朱而言,PNNL作者还包括玉凡周,毛苏,小飞宇,延安张,君刚王,萧蒂仁,瑞托曹,吴旭,唐纳德·鲍尔和迎宾杜。

1条评论在“具有自组装结构的纳米级分子视图”的“更好的锂离子电池”上

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