中子观察固态电池发现工作成功的关键

研究人员在美国能源部橡树岭国家实验室的第一个使用中子反射计同行在工作固态电池和监测其电化学。他们发现,其优秀的性能结果从一个极薄层,在这锂原子快速从阳极向阴极流动和混合成固态电解质。

说:“我们想要更好的电池ORNL的安德鲁•威斯多佛共同一项研究发表在ACS能源字母与詹姆斯·布朗宁在实验室的散裂中子源。“这意味着更多的能量密度,降低成本,更快和更安全的电池充电和长寿。”

依靠锂可充电电池、小金属原子包紧到带负电荷的阳极最大化能量密度。与大多数电解质——然而,锂是不稳定的一个因素可燃性的智能手机,笔记本电脑和使用液体电解质的电动汽车电池。

“修复可燃性的问题,我们需要切换到固体电解质,”威斯多佛说。

输入锂磷氮氧化物、LiPON固态电解质ORNL发明近30年前。“这是弄不明白为什么它工作得很好,”威斯多佛说。“我们想让LiPON工作在更大的范围内工作。但我们必须先理解它。”

之前的工作表明,固态电解质界面,或者SEI -形成一层保护和稳定的固态电池——反复充放电的能力的关键。在这种情况下,相间是化学梯度的富锂层组成的混合成纯LiPON锂含量减少。

“在一个正常的电池,电解液和工作电极之间的界面形式,“布朗宁说。“随着时间的推移你电池,充电和放电周期,材料成分和厚度可以改变。”

“如果你有一个好的SEI,电池的工作原理。如果你有一个糟糕的SEI,不行,”威斯多佛说。”的原因,你的手机电池的能力慢慢减少每年是因为你的SEI膨胀和消费在液态电解质电池。”

LiPON-based固态电池,然而,一层薄薄的SEI形式使钝化锂,使其稳定,增长不像SEI在传统的电池。

科学家们与电化学耦合中子反射计测量之间的稳定的相间LiPON和锂第一次。这是7纳米一样薄。“这项研究中,我们发现约70原子形成的层厚,”威斯多佛说。“这项工作表明可以在固态电池接口薄并提供出色的性能。”

小规模+的固态材料使研究人员使用中子内部电池。“x射线的发现之前,你不能看下看到一个体内骨骼皮肤。你必须把皮肤切开,”威斯多佛说。“直到现在,基本上是被大多数人使用的方法在电池看间期。在这种情况下,规模太小,削减任何开放。我们需要一个工具,它允许我们通过材料、无损探测它在规模和理解在间期发生了什么。这就是中子反射计进来了。”

布朗宁补充道,“我们感兴趣的一个电池是如何执行的,所以我们需要一种方法的内部而做的事,在长度范围内操作,对设备的功能很重要,探索稳定,长期cyclability等等。因为中子是弱相互作用,我们可以让他们点我们想调查没有任何干扰,更重要的是,让他们回来我们可以确定发生了什么感兴趣的地方——本例中的相间。”

耦合中子反射计与电化学加速理解之间的间期锂金属在固态电池和固体电解质。

”这种技术的结合为我们打开门看整个光谱的固态电解质材料和确定哪些将使你的充电快,高能电池,”威斯多佛说。“我们已经开始2.0版本,我们看到一种不同类型的固体电解质和开始了解他们是什么样子的。”

他补充说,“新材料需要发明了这种稳定。“设计未来的高性能电池将取决于它。

论文的标题是“我n原地测量埋Electrolyte-Electrode接口与纳米级精度固态电池。”

这项工作是由美国能源部的能源效率和可再生能源办公室车辆技术办公室。本研究使用的资源在SNS,能源部科学办公室用户设备由ORNL操作。

参考:布朗宁KL,威斯多佛,布朗宁摩根富林明,Doucet M, Sacci RL,威斯通用原位测量埋electrolyte-electrode接口固态电池纳米级精度。ACS能源列托人。2023;8 (4):1985 - 1991。doi:10.1021 / acsenergylett.3c00488

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