ການນໍາໃຊ້ການຖ່າຍພາບ X-Ray ເພື່ອຊ່ວຍປັບປຸງເຕັກໂນໂລຍີແບັດເຕີຣີ Lithium-Sulphur
2021-06-16
ຫົວຂໍ້:
ເຕັກໂນໂລຍີແບັດເຕີຣີ, ວິທະຍາສາດວັດສະດຸ, ພະລັງງານທົດແທນ, ຫ້ອງທົດລອງເຄື່ອງເລັ່ງຄວາມໄວແຫ່ງຊາດ SLAC
ໂດຍ MARK SHWARTZ, SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY JULY 19, 2012
Johanna Nelson ໃຊ້ການຖ່າຍພາບ X-ray ທີ່ມີປະສິດທິພາບເພື່ອສຶກສາສະຖານີໂທລະພາບ lithium-sulfur, ເປັນເທັກໂນໂລຍີທີ່ມີຄວາມຫວັງທີ່ສາມາດໃຊ້ພະລັງງານໄຟຟ້າໃນບາງມື້ໄດ້. ການເຮັດວຽກກັບນັກວິທະຍາສາດທີ່ SLAC ແລະມະຫາວິທະຍາໄລ Stanford, Nelson ໄດ້ຖ່າຍພາບກ້ອງຈຸລະທັດຂອງອະນຸພາກຂອງກໍາມະຖັນກໍາມະຖັນ the the the ພາບທໍາອິດທີ່ໃຊ້ໃນເວລາຈິງຂອງແບັດເຕີຣີ lithium-sulfur ໃນການດໍາເນີນງານ. ການສຶກສາກ່ອນ ໜ້າ ນີ້ໂດຍໃຊ້ກ້ອງຈຸລະທັດເອເລັກໂຕຣນິກມາດຕະຖານໄດ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າກໍາມະຖັນຈໍານວນຫຼວງຫຼາຍຫາຍໄປຈາກ cathode ຫຼັງຈາກຂີ່ລົດຖີບ, ເຮັດໃຫ້ແບັດເຕີຣີຕາຍ. ແຕ່ທີມງານຂອງ Nelson ໄດ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າອະນຸພາກຂອງກໍາມະຖັນສ່ວນຫຼາຍຍັງຄົງຢູ່ຄືເກົ່າ. ຜົນຂອງເຂົາເຈົ້າສາມາດຊ່ວຍໃຫ້ນັກວິທະຍາສາດພັດທະນາແບັດເຕີຣີລິທຽມ-ຊູນຟູຣິກທີ່ມີປະໂຫຍດທາງດ້ານການຄ້າສໍາລັບລົດໄຟຟ້າ.
Johanna Nelson, ນັກວິຊາການປະລິນຍາເອກທີ່ SLAC National Accelerator Laboratory ທີ່ມະຫາວິທະຍາໄລ Stanford ກ່າວວ່າâ life ຊີວິດຮອບວຽນຂອງbatteriesໍ້ໄຟ lithium-sulfur ແມ່ນສັ້ນຫຼາຍ. ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວພາຍຫຼັງສອງສາມສິບຮອບ, ແບັດເຕີຣີຈະຕາຍ, ສະນັ້ນມັນບໍ່ສາມາດໃຊ້ໄດ້ກັບພາຫະນະໄຟຟ້າ, ເຊິ່ງຕ້ອງການຫຼາຍພັນຮອບວຽນຕະຫຼອດຊີວິດ 10 ຫຼື 20 ປີ. €
ແບັດເຕີຣີລີທຽມ-ຊູນຟູຣິກປົກກະຕິປະກອບດ້ວຍສອງຂົ້ວໄຟຟ້າ a €“ anode ໂລຫະ lithium ແລະ an cathode sulfur-carbon surrounded surrounded” ອ້ອມຮອບດ້ວຍຂອງແຫຼວທີ່ສາມາດ ນຳ ໄຟຟ້າໄດ້, ຫຼື electrolyte. ການສຶກສາຄົ້ນຄ້ວາຫຼາຍອັນໄດ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າຊີວິດຂອງວົງຈອນສັ້ນຂອງແບັດເຕີຣີແມ່ນມາຈາກປະຕິກິລິຍາທາງເຄມີທີ່ເຮັດໃຫ້ cathode ຂອງຊູນຟູຣິກເສື່ອມລົງ.
ແຕ່ວ່າການສຶກສາຫຼ້າສຸດໂດຍ Nelson ແລະເພື່ອນຮ່ວມງານຂອງນາງແມ່ນເຮັດໃຫ້ມີຄວາມສົງໃສກ່ຽວກັບຄວາມຖືກຕ້ອງຂອງການທົດລອງກ່ອນ ໜ້າ ນີ້. ການນໍາໃຊ້ການຖ່າຍພາບ X-ray ພະລັງງານສູງຂອງbatteryໍ້ໄຟທີ່ໃຊ້ໄດ້ຈິງ, ທີມງານ Stanford-SLAC ໄດ້ຄົ້ນພົບວ່າອະນຸພາກຂອງກໍາມະຖັນໃນ cathode ສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນຍັງຄົງຢູ່ຄືເກົ່າໃນລະຫວ່າງການໄຫຼອອກ. ຜົນໄດ້ຮັບຂອງເຂົາເຈົ້າ, ຕີພິມຢູ່ໃນວາລະສານຂອງສະມາຄົມເຄມີອາເມລິກາ (JACS), ສາມາດຊ່ວຍໃຫ້ນັກວິທະຍາສາດຊອກຫາວິທີການໃto່ເພື່ອພັດທະນາແບັດເຕີຣີລິທຽມ-ຊູນຟູຣິກທີ່ມີປະໂຫຍດທາງດ້ານການຄ້າສໍາລັບພາຫະນະໄຟຟ້າ.
ອີງຕາມການທົດລອງກ່ອນ ໜ້າ ນີ້, ພວກເຮົາຄາດວ່າອະນຸພາກຂອງກໍາມະຖັນຈະຫາຍໄປຈາກ cathode ເມື່ອແບັດເຕີຣີgesົດ, "Nelson, ຜູ້ຂຽນນໍາຂອງການສຶກສາ JACS ກ່າວ. ແທນທີ່ຈະ, ພວກເຮົາເຫັນພຽງແຕ່ການປ່ຽນແປງເລັກນ້ອຍໃນຂະ ໜາດ ຂອງອະນຸພາກ, ເຊິ່ງກົງກັນຂ້າມກັບສິ່ງທີ່ໄດ້ສຶກສາກ່ອນ ໜ້າ ນີ້.
Nelson ແລະເພື່ອນຮ່ວມງານຂອງນາງໄດ້ດໍາເນີນການທົດລອງຂອງເຂົາເຈົ້າຢູ່ SLAC ໂດຍນໍາໃຊ້ເຕັກນິກການຖ່າຍພາບທີ່ມີປະສິດທິພາບສອງຢ່າງຄື: ການກະຈາຍລັງສີ X-ray ແລະການສົ່ງກ້ອງຈຸລະທັດ X-ray. ກ້ອງຈຸລະທັດ X-ray ໄດ້ເຮັດໃຫ້ນັກຄົ້ນຄວ້າສາມາດຖ່າຍພາບ nanosize ພາບຖ່າຍຂອງອະນຸພາກຂອງກໍາມະຖັນແຕ່ລະອັນກ່ອນ, ໃນລະຫວ່າງແລະຫຼັງຈາກການປ່ອຍຕົວ, ການຖ່າຍຮູບໃນເວລາຈິງທໍາອິດຂອງແບັດເຕີຣີລິທຽມ-ກໍາມະຖັນໃນການດໍາເນີນການ.
els way ວິທີມາດຕະຖານໃນການຖ່າຍພາບຄວາມລະອຽດສູງແມ່ນດ້ວຍກ້ອງຈຸລະທັດເອເລັກໂຕຣນິກຫຼັງຈາກແບັດເຕີຣີdisົດບາງສ່ວນ, "Nelson ກ່າວ. ແຕ່ເອເລັກໂຕຣນິກບໍ່ສາມາດເຈາະໂລຫະແລະພາດສະຕິກໄດ້ດີ. ດ້ວຍກ້ອງຈຸລະທັດ X-ray ຂອງ SLAC, ພວກເຮົາສາມາດເຫັນການປ່ຽນແປງທີ່ກໍາລັງເກີດຂຶ້ນໃນຂະນະທີ່ແບັດເຕີຣີກໍາລັງແລ່ນຢູ່.
Pesky polysulfides
ໃນແບັດເຕີຣີ lithium-sulfur, ກະແສໄຟຟ້າຈະຖືກຜະລິດຂຶ້ນເມື່ອ lithium ion ໃນ anode ປະຕິກິລິຍາກັບອະນຸພາກຂອງກໍາມະຖັນທີ່ cathode ໃນລະຫວ່າງການໄຫຼ. ຜົນຜະລິດຂອງປະຕິກິລິຍາເຄມີນີ້ແມ່ນທາດປະສົມທີ່ຮູ້ຈັກກັນໃນນາມ lithium polysulfides.
ບັນຫາສາມາດເກີດຂື້ນໄດ້ເມື່ອ polysulfides ຮົ່ວເຂົ້າໄປໃນ electrolyte ແລະຜູກມັດຖາວອນກັບ anode ໂລຫະ lithium. ທ່ານ Nelson ກ່າວວ່າ "ເມື່ອສິ່ງນັ້ນເກີດຂຶ້ນ, ວັດສະດຸ ກຳ ມະຖັນທັງinົດໃນ polysulfides ຈະສູນເສຍໄປ." will œ t ມັນຈະບໍ່ກັບຄືນມາໃຊ້ໃ່. ເຈົ້າບໍ່ຕ້ອງການສູນເສຍວັດສະດຸກໍາມະຖັນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວທຸກຄັ້ງທີ່ແບັດເຕີຣີົດ. ເຈົ້າຕ້ອງການແບັດເຕີຣີທີ່ສາມາດcູນວຽນໄດ້ຫຼາຍເທື່ອ
ການທົດລອງກ່ອນ ໜ້າ ນີ້ຍັງສະແດງໃຫ້ເຫັນການສ້າງໄປເຊຍກັນຂອງ dilithium sulfide (Li2S) ໃນລະຫວ່າງໄລຍະການໄຫຼ. Nelson ກ່າວວ່າ✠ryCrystalline Li2S ແລະ polysulfides ສາມາດປະກອບເປັນຟິມບາງ thin ທີ່ປ້ອງກັນການ ນຳ ຕົວຂອງເອເລັກໂຕຣນິກແລະ lithium ions. film film film ຟິມເຮັດ ໜ້າ ທີ່ເປັນຊັ້ນປ້ອງກັນທີ່ສາມາດເຮັດໃຫ້ແບັດເຕີຣີຕາຍໄດ້
ການສຶກສາຫຼາຍ Several ຄັ້ງໂດຍໃຊ້ກ້ອງຈຸລະທັດເອເລັກໂຕຣນິກໄດ້ຜະລິດຮູບພາບຂອງຂົ້ວໄຟຟ້າທີ່ເຄືອບດ້ວຍ polysulfides ແລະ Li2S ທີ່ເປັນໄປເຊຍກັນ, ແລະ cathodes ຂອງກໍາມະຖັນທີ່ເຫຼືອຢູ່. ຮູບພາບເຫຼົ່ານັ້ນໄດ້ເຮັດໃຫ້ນັກຄົ້ນຄວ້າສະຫຼຸບໄດ້ວ່າສ່ວນຫຼາຍຂອງກໍາມະຖັນໄດ້ຖືກປ່ຽນເປັນທາງເຄມີໃຫ້ເປັນແຜ່ນ Li2S-polysulfide ທີ່ປ້ອງກັນບໍ່ໃຫ້ແບັດເຕີຣີໃຊ້ງານໄດ້.
ການຄົ້ນພົບທີ່ບົກພ່ອງ
ແຕ່ອີງຕາມ Nelson ແລະເພື່ອນຮ່ວມງານຂອງນາງ, ບາງການສຶກສາກ່ອນ ໜ້າ ນີ້ແມ່ນມີຂໍ້ບົກພ່ອງ. ທ່ານ Nelson ກ່າວວ່າ“ €œວິທີການທີ່ເຂົາເຈົ້າໃຊ້ແມ່ນຜິດພາດ. ically y y ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວ, ພວກມັນຈະcycleູນວຽນແບັດເຕີຣີ, ແຍກມັນອອກ, ລ້າງເຄື່ອງເອເລັກໂຕຣນິກແລະຈາກນັ້ນວິເຄາະດ້ວຍການບິດເບືອນ X-ray ຫຼືກ້ອງຈຸລະທັດເອເລັກໂຕຣນິກ. ແຕ່ເມື່ອເຈົ້າເຮັດແນວນັ້ນ, ເຈົ້າຈະລ້າງສານ polysulfides ທັງthatົດທີ່ຕິດຢູ່ກັບ cathode ວ່າງອອກ. ດັ່ງນັ້ນ, ເມື່ອເຈົ້າເອົາຮູບ cathode, ເຈົ້າບໍ່ເຫັນຊະນິດຊູນຟູຣິກໃດ any ເລີຍ.
ທີມງານ Stanford-SLAC ໄດ້ໃຊ້ວິທີການທີ່ແຕກຕ່າງ. ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ໃຊ້ກ້ອງຈຸລະທັດ X-ray ສົ່ງຢູ່ທີ່ SLAC ເພື່ອຖ່າຍຮູບຫຼາຍ of ໜ່ວຍ ຂອງອະນຸພາກກໍາມະຖັນນ້ອຍ tiny ທຸກ every ຫ້ານາທີໃນຂະນະທີ່ແບັດເຕີຣີົດ. ແຕ່ລະອະນຸພາກເປັນພຽງສ່ວນນ້ອຍຂອງຂະ ໜາດ ຂອງເມັດຊາຍ. ຜົນໄດ້ຮັບແມ່ນຈະແຈ້ງ: ທຸກ Every ອະນຸພາກຮັກສາຮູບຮ່າງແລະຂະ ໜາດ ພື້ນຖານຂອງມັນຕະຫຼອດຮອບວຽນໄຫຼ.
ທ່ານ Nelson ກ່າວວ່າ“ ພວກເຮົາຄາດວ່າ ກຳ ມະຖັນຈະຫາຍໄປandົດແລະປະກອບເປັນ polysulfides ໃນ electrolyte,”. we st st ແທນທີ່ພວກເຮົາພົບເຫັນວ່າ, ໂດຍສ່ວນໃຫຍ່ແລ້ວ, ອະນຸພາກຢູ່ໃນບ່ອນທີ່ພວກມັນຢູ່ແລະສູນເສຍມວນສານໄປ ໜ້ອຍ ໜຶ່ງ. ພວກມັນໄດ້ປະກອບເປັນ polysulfides, ແຕ່ສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນຖືກຕິດຢູ່ໃກ້ກັບແຄດຊູນຄາບອນ-ຊູນຟູຣິກ. ພວກເຮົາບໍ່ຈໍາເປັນຕ້ອງຖອດແບັດເຕີຣີອອກຫຼືແມ້ກະທັ້ງຢຸດມັນ, ເພາະວ່າພວກເຮົາສາມາດສະແດງເນື້ອໃນຂອງກໍາມະຖັນໃນຂະນະທີ່ອຸປະກອນດໍາເນີນງານຢູ່.
ການບິດເບືອນ X-ray ເຮັດໃຫ້ມີຄວາມແປກໃຈເພີ່ມເຕີມ. ນາງກ່າວວ່າ, ອີງຕາມການທົດລອງກ່ອນ ໜ້າ ນີ້, ພວກເຮົາຄາດວ່າ Li2S ທີ່ເປັນໄປເຊຍຈະປະກົດຂຶ້ນໃນຕອນທ້າຍຂອງວົງຈອນການໄຫຼ. ut œ ut ແຕ່ພວກເຮົາມີການລົງຂາວທີ່ເລິກຫຼາຍແລະບໍ່ເຄີຍເຫັນ Li2S ອັນໃດຢູ່ໃນສະພາບຜລຶກຂອງມັນ. â
ການຄົ້ນຄວ້າໃນອະນາຄົດ
ການສຶກສາ Stanford-SLAC ສາມາດເປີດຊ່ອງທາງໃof່ຂອງການຄົ້ນຄວ້າທີ່ສາມາດປັບປຸງປະສິດທິພາບຂອງແບັດເຕີຣີ lithium-sulfur ໄດ້, ກ່າວໂດຍ Michael Toney, ຫົວ ໜ້າ ພະແນກວິທະຍາສາດວັດສະດຸຂອງ SLAC Stanford Synchrotron Radiation Lightsource.
oney study study ການສຶກສາຂອງພວກເຮົາສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງຄວາມສໍາຄັນຂອງການນໍາໃຊ້ເຕັກໂນໂລຍີ X-ray ພະລັງງານສູງເພື່ອສຶກສາແບັດເຕີຣີໃນຂະນະທີ່ພວກມັນກໍາລັງດໍາເນີນງານຢູ່, "Toney ເວົ້າ. rom rom point ຈາກມຸມມອງດ້ານວິສະວະກໍາ, ມັນມີຄຸນຄ່າທີ່ຈະຮູ້ວ່າການອາໄສກ້ອງຈຸລະທັດເອເລັກໂຕຣນິກມາດຕະຖານເພື່ອທົດສອບຄວາມຊື່ສັດຂອງວັດສະດຸອາດຈະໃຫ້ຜົນລັບທີ່ຫຼອກລວງໄດ້.
ຫ້ອງທົດລອງຄົ້ນຄ້ວາຫຼາຍແຫ່ງກໍາລັງຊອກຫາວິທີການໃto່ເພື່ອດັກຈັບ polysulfides ຢູ່ເທິງ cathode. ເຕັກນິກຕ່າງ variety ໄດ້ສະແດງໃຫ້ເຫັນຄໍາສັນຍາ, ລວມທັງເອເລັກໂທຣນິກໄຟຟ້າໃand່ແລະ nanotubes ຄາບອນທີ່ເຄືອບດ້ວຍກໍາມະຖັນ.
ແຕ່ບັນຫາ polysulfide ອາດຈະບໍ່ເປັນຕາຢ້ານຄືກັບການສຶກສາກ່ອນ ໜ້າ ນີ້ແນະ ນຳ.
ທ່ານ Nelson ກ່າວວ່າ "ພວກເຮົາພົບວ່າມີທາດ polysulfides ເຂົ້າໄປໃນ electrolyte ໜ້ອຍ ຫຼາຍ." ho œ ho ແຄັດທອນຄາບອນ-ຊູນຟູຣິກຕົວຈິງແລ້ວໄດ້ກັກຂັງພວກມັນໄວ້ໄດ້ດີກວ່າທີ່ຄາດໄວ້. ແຕ່ແມ້ແຕ່ຈໍານວນໂພລີຊັລບໍລິສຸດເລັກນ້ອຍຈະເຮັດໃຫ້ແບັດເຕີຣີwithinົດພາຍໃນ 10 ຮອບວຽນ. ຖ້ານັກວິທະຍາສາດຕ້ອງການປັບປຸງອາຍຸການໃຊ້ງານຂອງແບັດເຕີຣີ, ເຂົາເຈົ້າຕ້ອງການປ້ອງກັນບໍ່ໃຫ້ສານ polysulfides ເກືອບທັງfromົດຮົ່ວເຂົ້າໄປໃນເຄື່ອງໄຟຟ້າ. ຖ້າເຂົາເຈົ້າຢາກຮູ້ແທ້âວ່າມີຫຍັງເກີດຂຶ້ນພາຍໃນແບັດເຕີຣີ, ເຂົາເຈົ້າບໍ່ສາມາດໃຊ້ການວິເຄາະມາດຕະຖານໄດ້ເທົ່ານັ້ນ. ເຂົາເຈົ້າຕ້ອງການເທັກໂນໂລຍີທີ່ເລົ່າເລື່ອງທັງâົດ
ນອກ ເໜືອ ໄປຈາກ Nelson, ຜູ້ຂຽນຮ່ວມຂອງການສຶກສາ JACS ແມ່ນນັກຄົ້ນຄວ້າ SLAC postdoctoral Sumohan Misra ແລະນັກສຶກສາປະລິນຍາເອກ Stanford Yuan Yang.
ການສຶກສາດັ່ງກ່າວຍັງເປັນຜູ້ຂຽນຮ່ວມກັນໂດຍ Yi Cui, ອາຈານຮ່ວມຂອງວິທະຍາສາດອຸປະກອນແລະວິສະວະກໍາຢູ່ Stanford ແລະວິທະຍາສາດ photon ຢູ່ SLAC; Hongjie Dai, ອາຈານສອນເຄມີສາດທີ່ Stanford; ນັກຮຽນຈົບ Ariel Jackson ແລະ Hailiang Wang ຂອງ Stanford; ແລະ Joy C. Andrews, ນັກວິທະຍາສາດພະນັກງານຢູ່ SLAC.
ການຄົ້ນຄວ້າດັ່ງກ່າວໄດ້ຮັບການສະ ໜັບ ສະ ໜູນ ຈາກພະແນກພະລັງງານ, ກົມປ້ອງກັນປະເທດແລະສະຖາບັນການສຶກສາຊັ້ນສູງຂອງສະແຕນຟອດ.
SLAC ແມ່ນຫ້ອງທົດລອງແຫ່ງຊາດທີ່ດໍາເນີນການໂດຍ Stanford ສໍາລັບ DOE. ການສຶກສາດັ່ງກ່າວໄດ້ດໍາເນີນການຮ່ວມມືກັບສະຖາບັນສະແຕນຟອດສໍາລັບວັດສະດຸແລະວິທະຍາສາດພະລັງງານ, ການຮ່ວມມືຄົ້ນຄວ້າສະແຕນຟອດ.