ALTIN 499,21
DOLAR 8,8689
EURO 10,4740
BIST 1.385
Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 23 °C
Parçalı Bulutlu

Nano Ölçekli Araştırma “Yeni Nesil” Li-İyon Pillerin Yolunu Açıyor

02.07.2021
59
Nano Ölçekli Araştırma “Yeni Nesil” Li-İyon Pillerin Yolunu Açıyor

Penn Engineering araştırmacılarının yakın tarihli bir araştırması, lityum iyon pillerdeki silikon anotların neden hızla bozulduğuna ve bozulduğuna dair yeni bilgiler sunuyor. Silikon yerine geçmek için gelişmiş görüntüleme teknikleri ve yüksek kontrastlı altın kullanarak, anot parçalarının her döngüde oluşan kimyasal katmanda nasıl sıkıştığını ve anot parçalanana kadar kademeli olarak oyuğunu gösterdiler. Kredi: Penn Mühendislik

Şarj edilebilir lityum iyon piller her yerde bulunur ve akıllı telefonlara, tabletlere, dizüstü bilgisayarlara ve giderek daha fazla elektrikli araçlara güç sağlar. Bu pilleri, performanstan ödün vermeden daha hafif, daha küçük, daha ucuz ve daha hızlı şarj edilebilir hale getirmek bu nedenle büyük bir tasarım zorluğudur. Bu sorunu çözmek için bilim adamları ve mühendisler, aynı miktarda alanda daha fazla miktarda lityum depolayabilen yeni elektrot malzemeleri geliştiriyorlar.

Umut verici bir çözüm, anot olarak da bilinen bir pilin negatif elektrotunda alaşım tipi malzemelerin kullanılmasıdır. Örneğin, bir “alaşım tipi” anot üreten bir libre silikon, şu anda ticari lityum iyonda kullanılan “ara katlama tipi” anotlarda bulunan on libre grafit ile aynı miktarda lityum depolayabilir. piller. Bu, ikincisini birincisi ile değiştirmenin, anodu potansiyel olarak 10 kat daha hafif ve önemli ölçüde küçültebileceği anlamına gelir.

Bu söze rağmen, alaşım tipi anotlar yaygın bir şekilde benimsenmemiştir. Bunun nedeni kısmen, anot içindeki alaşım tipi silikon parçacıklarına lityum iyonları eklendiğinde, bu parçacıkların genişlemeye ve parçalanmaya başlaması ve bunun sonucunda pilin yalnızca birkaç şarj döngüsünden sonra arızalanmasına neden olmasıdır. Bu parçacıkların boyutunu, özelliklerinin nano ölçekte olması için küçültmek – örneğin nano gözenekli silikonda olduğu gibi – bu tür bozulmayı azaltır, ancak oyundaki gerçek mekanizmalar tam olarak anlaşılmamıştır.

Şimdi, yayınlanan bir çalışmada ACS Enerji Harfleri, Penn Engineering araştırmacıları, alaşım tipi anotlar şarj ve deşarj olduğunda nano ölçekte meydana gelen karmaşık elektrokimyasal süreci ortaya çıkardılar. Şu anda bu umut verici enerji depolama malzemeleri sınıfını engelleyen bozulma davranışının daha iyi anlaşılması, yeni, daha verimli pil tasarımlarına kapı açabilir.

Anot Bozunma Süreci

Bu çalışmadan önce genel alaşım tipi anot bozunmasının nasıl gerçekleştiğine ilişkin temel model, bu resmin üst kısmında gösterilmektedir. Silikon anotlu bir lityum iyon pil şarj olduğunda, silikon parçacıkları (açık mavi) lityum iyonlarını alırken fiziksel olarak büyür. Bu lityum içeren silikon parçacıklarının (koyu mavi) etrafında bir SEI tabakası veya katı-elektrolit ara fazı (gri), yalnızca pil boşaldığında kopmak üzere oluşur. Bu çalışma, resmin alt kısmında görüldüğü gibi, bozulmanın nedeni hakkında yeni bilgiler sağlar. Şarj sırasında, silikon parçaları SEI içinde sıkışıp kalır ve boşalma sırasında SEI ondan ayrıldığında orijinal partikülü gözenekli bırakır. Bu süreç tekrar ettikçe, parçacık parçalanana kadar gittikçe küçülür. Kredi: Penn Mühendislik

Çalışma, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (MSE) bölümünde Stephenson Dönemi Yardımcı Doçent olan Eric Detsi ile lisansüstü araştırma görevlileri John Corsi ve Samuel Welborn tarafından yürütülmüştür. MSE’de profesör ve Maddenin Yapısı Araştırma Laboratuvarı (LRSM) direktörü Eric Stach ile işbirliği yaptılar.

Adından da anlaşılacağı gibi, lityum iyon piller, katot olarak da bilinen pozitif elektrottan gelen lityum ile anotlarındaki malzeme arasındaki elektrokimyasal reaksiyon yoluyla enerji depolar. Lityum iyonları şarj sırasında anot kafesindeki boşluklara fiziksel olarak girerken, bu malzeme ile bağlanır ve işlem sırasında elektronları emer; pili boşaltmak, işlemin tekrarlanabilmesi için lityumu ortadan kaldırır, ancak alaşım tipi anotlar söz konusu olduğunda, anot malzemesinin büyümesine ve sonunda parçalanmasına da neden olur.

Bu süreçlerde birden fazla aracı adım vardır; yoğun silikon ve nano gözenekli silikon arasında nasıl farklı olduklarını anlamak, ikincisinin bozulmaya neden daha iyi direndiğine dair bir ipucu verebilir. Bununla birlikte, eylem halindeki bu süreçlerin yakından araştırılması, ilgili silikon yapılarının bu kadar küçük ölçeklerde görüntülenmesindeki zorluklar nedeniyle engellenmiştir.

“Bu zorluğun üstesinden gelmek için,” diyor Detsi, “şarj ve deşarj sırasında lityum iyon pil anotlarının bozulmasını incelemek için transmisyon elektron mikroskobu ve X-ışını saçılma tekniklerinin benzersiz bir kombinasyonunu kullandık.”

Welborn, “Silikon yerine altın kullandık çünkü altın elektron mikroskobu görüntüleme sırasında silikondan daha iyi kontrast sağlıyor” diye ekliyor Welborn, “bu, şarj sırasında altın elektrotta oluşan SEI olarak bilinen katı-elektrolit interfaz yüzey kaplamasının net bir şekilde saptanmasını sağlıyor. ve boşaltma. Altın ayrıca silikondan daha fazla X-ışını saçar, bu da bu işlemler sırasında anot yapısındaki değişiklikleri araştırmayı kolaylaştırır.”

Bu çalışma için ekip, Singh Nanoteknoloji Merkezi’ndeki elektron mikroskobu tesisinin yanı sıra LRSM’deki Penn Çift Kaynak ve Çevresel X-ışını Saçılımı (DEXS) tesisini kullandı. Bu iki teknikten elde edilen sonuçlar, araştırmacıların bu bozulma sürecinin nasıl gerçekleştiğine ilişkin daha önce anlaşılan modeli güncellemelerine izin veren zengin bir veri seti oluşturdu.

Bu araçlar, ekibin deşarj sırasında kritik adımı belirlemesine izin verdi: gözenekli altın yüzey üzerinde kalın bir SEI tabakasının oluşumu.

Corsi, “Lityum altında depolandığından, nano gözenekli yapıdaki metalik altın bağların hacmi hızla genişler ve sonunda kırılır” diyor. “Bu kırık bağ parçaları, çevreleyen SEI tabakası içinde sıkışıp kalıyor. İşlem tersine çevrildiğinde, lityum çıkarıldığında bağlar büzülür ve bu hacim değişikliği, sıkışan malzemeyi içeren SEI tabakasının çatlamasına ve elektrotun geri kalanından ayrılmasına neden olur.

Pil yeniden şarj edildiğinde, yüzeyde yeni bir SEI tabakası büyür ve elektrotun daha fazla kırık parçasını toplar. Bu hasar, tekrarlanan şarj döngülerinde birikir ve elektrotun büyük parçaları sonunda ayrılarak pilin hızla bozulmasına neden olur.

Araştırmacılar, nano gözenekli altın için elde edilen içgörülerin, silikon ve kalay gibi yüksek düzeyde çalışılmış, gelecek vaat eden alaşım tipi anot malzemeleri için geniş kapsamlı etkilere sahip olduğuna inanıyor. Bu anotların zamanla nasıl bozulduğuna ilişkin mekanizmaları anlamak, araştırmacıların uzun ömürlü, yüksek enerji yoğunluklu pil malzemeleri tasarlamasına olanak sağlayacaktır.

Referans: John S. Corsi, Samuel S. Welborn, Eric A. Stach ve Eric Detsi, “Nanoporous Alaşım Tipi Li-Ion Pil Anotlarının Bozunma Mekanizmasına İlişkin Görüşler”, 12 Nisan 2021, ACS Enerji Harfleri.
DOI: 10.1021 / acsenergylett.1c00324

Bu araştırma Ulusal Bilim Vakfı (NSF) (DMR-1720530) ve Vagelos Enerji Bilimi ve Teknolojisi Enstitüsü (VIEST) tarafından 2018 VIEST lisansüstü bursu ile desteklenmiştir.

.

Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.