Крио-ЭМ-снимки межфазной фазы твердого электролита, или SEI, показывают ее естественное набухшее состояние и предлагают новый подход к конструкции литий-металлических батарей.
Литий-металлические батареи могут хранить гораздо больше заряда на заданном пространстве, чем сегодняшние литий-ионные батареи, и гонка за их созданием для электромобилей следующего поколения, электроники и других приложений продолжается.
Но одним из препятствий является тихая битва между двумя компонентами батареи. Электролит, жидкость между двумя электродами, разъедает поверхность металлического литиевого анода, покрывая ее тонким слоем грязи, известным как граница твердого электролита или SEI.
Хотя образование SEI считается неизбежным, исследователи хотят стабилизировать и контролировать рост этого слоя, чтобы максимизировать производительность батареи. Но у них никогда не было четкого представления о том, как выглядит SEI, когда он насыщен электролитом, как это было бы в работающей батарее.
Теперь исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета сделали первые изображения этого слоя в высоком разрешении в его естественном пухлом, мягком состоянии. Это достижение стало возможным благодаря криогенной электронной микроскопии, или крио-ЭМ, революционной технологии, позволяющей выявлять такие мелкие детали, как атомы.
По их словам, результаты показывают, что правильный электролит может свести к минимуму вздутие и улучшить производительность батареи, что дает ученым новый потенциальный способ настройки и улучшения конструкции батареи. Они также дают исследователям новый инструмент для изучения батарей в их повседневной рабочей среде.
Команда описала свою работу в статье, опубликованной в журнале Science 6 января 2022 года.
«Нет никаких других технологий, которые могут смотреть на этот интерфейс между электродом и электролитом с таким высоким разрешением», — сказал Зевен Чжан, аспирант Стэнфорда, который руководил экспериментами с SLAC и профессорами Стэнфорда Йи Цуи и Ва Чиу. «Мы хотели доказать, что можем отображать интерфейс в этих ранее недоступных масштабах и видеть первозданное, естественное состояние этих материалов, как в батареях».
Цуй добавил: «Мы находим этот отек почти универсальным. Его эффекты ранее не были широко оценены сообществом исследователей аккумуляторов, но мы обнаружили, что он оказывает значительное влияние на производительность аккумуляторов».
«Захватывающий» инструмент для исследования энергии
Это последний из серии новаторских результатов за последние пять лет, которые показывают, что крио-ЭМ, который был разработан как инструмент для биологии, открывает «захватывающие возможности» в энергетических исследованиях, пишет команда в отдельном опубликованном обзоре области. в июле в Accounts of Chemical Research.
Крио-ЭМ — это форма электронной микроскопии, которая использует электроны, а не свет, для наблюдения за миром очень маленьких. Путем мгновенной заморозки своих образцов до прозрачного стеклообразного состояния ученые могут наблюдать за клеточными механизмами, которые выполняют жизненные функции в их естественном состоянии и с атомарным разрешением. Недавние усовершенствования крио-ЭМ превратили его в востребованный метод выявления биологической структуры с беспрецедентными подробностями, и трое ученых были удостоены Нобелевской премии по химии 2017 года за новаторский вклад в его разработку.
Вдохновленный многими историями успеха в биологической крио-ЭМ, Цуй объединился с Чиу, чтобы выяснить, может ли крио-ЭМ быть таким же полезным инструментом для изучения материалов, связанных с энергией, как и для изучения живых систем.
Одной из первых вещей, на которую они обратили внимание, был один из этих надоедливых слоев SEI на электроде батареи. Они опубликовали первые изображения этого слоя в атомном масштабе в 2017 году вместе с изображениями пальцевидных наростов литиевой проволоки, которые могут пробить барьер между двумя половинками батареи и вызвать короткое замыкание или возгорание.
Но чтобы сделать эти изображения, им пришлось вынуть детали батареи из электролита, чтобы SEI высох в сморщенном состоянии. Как он выглядел во влажном состоянии внутри работающей батареи, можно было только гадать.
Бумага в помощь
Чтобы зафиксировать SEI в его сырой естественной среде, исследователи придумали способ сделать и заморозить очень тонкие пленки жидкого электролита, которые содержали крошечные литий-металлические проволоки, которые создавали поверхность для коррозии и образования SEI.
Во-первых, они вставили металлическую сетку, используемую для хранения образцов крио-ЭМ, в батарейку типа «таблетка». Когда они удалили его, тонкие пленки электролита цеплялись за крошечные круглые отверстия в сетке, удерживаемые на месте за счет поверхностного натяжения ровно столько времени, сколько нужно для выполнения оставшихся шагов.
Однако эти пленки все еще были слишком толстыми, чтобы электронный луч мог проникнуть в них и создать четкие изображения. Поэтому Чиу предложила решение: впитать лишнюю жидкость промокательной бумагой. Блотированную сетку сразу же погружали в жидкий азот, чтобы заморозить маленькие пленки до стеклообразного состояния, которое прекрасно сохраняло SEI. Все это происходило в закрытой системе, которая защищала пленки от воздействия воздуха.
Результаты были впечатляющими, сказал Чжан. В этих влажных средах SEI поглощали электролиты и набухали примерно в два раза по сравнению с предыдущей толщиной.
Когда команда повторила процесс с полдюжиной других электролитов разного химического состава, они обнаружили, что некоторые из них дают гораздо более толстые слои SEI, чем другие, и что слои, которые набухают больше всего, связаны с худшими характеристиками батареи.
«В настоящее время эта связь между поведением набухания SEI и производительностью применима к литий-металлическим анодам, — сказал Чжан, — но мы считаем, что это должно применяться в качестве общего правила и к другим металлическим анодам».
Команда также использовала сверхтонкий наконечник атомно-силового микроскопа (АСМ), чтобы исследовать поверхности слоев SEI и убедиться, что они более мягкие во влажном, набухшем состоянии, чем в сухом.
С тех пор, как в статье 2017 года было показано, что крио-ЭМ может сделать для энергетических материалов, его использовали для увеличения материалов для солнечных элементов и клеточных молекул, называемых металлоорганическими каркасами, которые можно использовать в топливных элементах, катализе и хранение газа.
Что касается следующих шагов, исследователи говорят, что они хотели бы найти способ отображать эти материалы в 3D — и отображать их, пока они все еще находятся внутри работающей батареи, для получения наиболее реалистичного изображения.
И Цуй — директор Стэнфордского института энергетики Precourt и исследователь Стэнфордского института материалов и энергетических наук (SIMES) в SLAC. Ва Чиу является содиректором крио-ЭМ-центра Stanford-SLAC, где проводились работы по крио-ЭМ-визуализации для этого исследования. Часть этой работы была выполнена в Stanford Nano Shared Manufacturing (SNSF) и Stanford Nanofabrication Facility (SNF). Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.
Ссылки: «Захват набухания твердого электролита на границе раздела фаз в литий-металлических батареях» Зевен Чжан, Юйчжан Ли, Ронг Сюй, Вейцзян Чжоу, Янбин Ли, Соломон Т. Ояхире, Екун Ву, Джинвэй Сюй, Хансен Ван, Чжао Ю, Дэвид Т. Бойл, Уильям Хуан, Юшен Е, Хао Чен, Цзяюй Ван, Женан Бао, Ва Чиу и И Цуй, 6 января 2022 г., Science.
DOI: 10.1126/science.abi8703
«Криогенная электронная микроскопия энергетических материалов», Зевен Чжан, Йи Цуй, Рафаэль Вила, Янбин Ли, Венбо Чжан, Вейцзян Чжоу, Вах Чиу и Йи Цуй, 19 июля 2021 г., Отчеты о химических исследованиях.
DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00183
No comments:
Post a Comment