Καλύτερα, γρηγορότερος, ισχυρότερος: Χτίζοντας τις μπαταρίες που δεν πηγαίνουν βραχίονας

July 11, 2018

Υπάρχει ένα παλαιό ρητό: «Πρέπει να μάθετε να περπατάτε προτού να μάθετε να τρέχετε.» Παρά τέτοια φρόνηση, οι πολυάριθμες βιομηχανίες πηδούν τα βασικά και υπογράφουν επάνω για τους μαραθωνίους αντ' αυτού, συμπεριλαμβανομένης της βιομηχανίας μπαταριών.

Οι ιονικές μπαταρίες λίθιου κρατούν την απίστευτη υπόσχεση για τη βελτιωμένη μεγάλη χωρητικότητα, αλλά είναι πτητικές. Όλοι έχουμε ακούσει τις ειδήσεις για τις ιονικές μπαταρίες λίθιου στα τηλέφωνα -- κυρίως ο γαλαξίας 7 της Samsung -- πρόκληση των τηλεφώνων στην πυρκαγιά σύλληψης.

Ένα μεγάλο μέρος του προβλήματος προκύπτει από τη χρήση του εύφλεκτου υγρού ηλεκτρολύτη μέσα στην μπαταρία. Μια προσέγγιση είναι να χρησιμοποιηθεί ένας άφλεκτος στερεός ηλεκτρολύτης μαζί με ένα ηλεκτρόδιο μετάλλων λίθιου. Αυτό θα αύξανε την ενέργεια της μπαταρίας συγχρόνως μειώνοντας τη δυνατότητα μιας πυρκαγιάς.

Ουσιαστικά, ο προορισμός χτίζει τις στερεάς κατάστασης μπαταρίες επόμενης γενιάς που δεν πηγαίνουν βραχίονας. Το ταξίδι πρόκειται να καταλάβει πλήρως το λίθιο.

«Καθένας εξετάζει ακριβώς τα τμήματα ενεργειακής αποθήκευσης της μπαταρίας,» λέει το Erik Herbert, βοηθός καθηγητής της επιστήμης και της εφαρμοσμένης μηχανικής υλικών στο τεχνολογικό πανεπιστήμιο του Μίτσιγκαν. «Πολύ λίγες ερευνητικές ομάδες ενδιαφέρονται για την κατανόηση των μηχανικών στοιχείων. Αλλά χαμηλός και behold, ανακαλύπτουμε ότι οι μηχανικές ιδιότητες του λίθιου το ίδιο μπορούν να είναι το βασικό κομμάτι του γρίφου.»

Οι ερευνητές τεχνολογίας του Μίτσιγκαν συμβάλλουν σημαντικά στο κέρδος μιας θεμελιώδους κατανόησης του λίθιου με τα αποτελέσματα που δημοσιεύονται σήμερα σε μια προσκεκλημένη σειρά τρεις-χαρτιού στο περιοδικό της έρευνας υλικών, που δημοσιεύεται από κοινού από τον ερευνητικών κοινωνίας και Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ υλικών Τύπο. Herbert και Stephen Hackney, καθηγητής της επιστήμης υλικών και της εφαρμοσμένης μηχανικής, μαζί με ιώδη Thole, ένας απόφοιτος φοιτητής στην τεχνολογία του Μίτσιγκαν, το Νανσύ Dudney στο εθνικό εργαστήριο του Όουκ Ριτζ και Sudharshan Phani στο διεθνές προηγμένο ερευνητικό κέντρο για τη μεταλλουργία σκονών και τα νέα υλικά, αποτελέσματα μεριδίου που υπογραμμίζουν τη σημασία της μηχανικής συμπεριφοράς του λίθιου στον έλεγχο της απόδοσης και της ασφάλειας των μπαταριών επόμενης γενιάς.

Όπως ένα freeze-thaw σκυρόδεμα καταστροφής κύκλων, μπαταρίες ζημίας δενδριτών λίθιου

Το λίθιο είναι ένα εξαιρετικά αντιδραστικό μέταλλο, το οποίο το κάνει το επιρρεπές σε misbehavior. Αλλά είναι επίσης πολύ καλό στην αποθήκευση της ενέργειας. Θέλουμε τα τηλέφωνά μας (και τους υπολογιστές, τις ταμπλέτες και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές) στη δαπάνη το γρηγορότερο δυνατό, και έτσι οι κατασκευαστές μπαταριών αντιμετωπίζουν τις δίδυμες πιέσεις: Κάνετε τις μπαταρίες που φορτίζουν πολύ γρήγορα, περνώντας μια δαπάνη μεταξύ της καθόδου και της ανόδου όσο το δυνατόν γρηγορότερα, και καταστήστε τις μπαταρίες αξιόπιστες παρά να φορτιστεί επανειλημμένα.

Το λίθιο είναι ένα πολύ μαλακό μέταλλο, αλλά δεν συμπεριφέρεται όπως αναμενόταν κατά τη διάρκεια της λειτουργίας μπαταριών. Η τοποθετώντας πίεση που εμφανίζεται περίπλοκα κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης μιας μπαταρίας οδηγεί στα μικροσκοπικά δάχτυλα αποκαλούμενων των λίθιο δενδριτών για να γεμίσει τις προϋπάρχουσες και αναπόφευκτες μικροσκοπικές ρωγμές -- αυλάκια, πόροι και γρατσουνιές -- στη διεπαφή μεταξύ της ανόδου λίθιου και του στερεού διαχωριστή ηλεκτρολυτών.

Κατά τη διάρκεια της συνεχούς ανακύκλωσης, αυτοί οι δενδρίτες μπορούν να αναγκάσουν τον τρόπο τους, και τελικά κατευθείαν, στο στερεό στρώμα ηλεκτρολυτών που χωρίζει φυσικά την άνοδο και την κάθοδο. Μόλις φθάσει ένας δενδρίτης στην κάθοδο, η συσκευή βραχυκυκλώνει και αποτυγχάνει, συχνά catastrophically. Ο Herbert και Hackney η έρευνα εστιάζουν στον τρόπο με τον οποίο το λίθιο μετριάζει την πίεση που αναπτύσσεται φυσικά κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης μιας στερεάς κατάστασης μπαταρίας.

Τα έγγραφα εργασίας τους η αξιοπρόσεκτη συμπεριφορά του λίθιου submicron μήκους στις κλίμακες -- να τρυπήσει με τρυπάνι κάτω του λίθιου μικρότερου και αμφισβητήσιμα οι περισσότερες befuddling ιδιότητες. Με τη χάραξη των ταινιών λίθιου με έναν διαμάντι-τοποθετημένο αιχμή έλεγχο για να παραμορφώσουν το μέταλλο, οι ερευνητές εξερευνούν πώς το μέταλλο αντιδρά στην πίεση. Τα αποτελέσματά τους επιβεβαιώνουν απροσδόκητα τον υψηλής αντοχής του λίθιου στις κλίμακες μικρός-μήκους που αναφέρονται νωρίτερα αυτό το χρόνο από τους ερευνητές στην τεχνολογία θερμ.

Ο Herbert και Hackney στηρίζονται σε εκείνη την έρευνα με την παροχή της εναρκτήριας, μηχανικής εξήγησης του λίθιου εκπληκτικά υψηλής αντοχής.

Η δυνατότητα του λίθιου να διασκορπιστούν ή να ρυθμιστούν εκ νέου τα άτομα ή τα ιόντα της σε μία προσπάθεια να ανακουφιστεί η πίεση που επιβλήθηκε από τη indenter άκρη, παρουσίασε στους ερευνητές τη σημασία της ταχύτητας με την οποία το λίθιο είναι παραμορφωμένο (που συσχετίζεται με πόσο γρήγορα οι μπαταρίες φορτίζονται και εκφορτίζονται), καθώς επίσης και τα αποτελέσματα των ατελειών και των αποκλίσεων στη ρύθμιση των ιόντων λίθιου που περιλαμβάνουν την άνοδο.

Να τρυπήσει με τρυπάνι για να καταλάβει κάτω τη συμπεριφορά του λίθιου

Στο άρθρο «Nanoindentation του high-purity ατμού κατάθεσε τις ταινίες λίθιου: Ο ελαστικός συντελεστής,» ερευνητές μετρά τις ελαστικές ιδιότητες του λίθιου για να απεικονίσει τις αλλαγές στο φυσικό προσανατολισμό των ιόντων λίθιου. Αυτά τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν την ανάγκη τις προσανατολισμός-εξαρτώμενες ελαστικές ιδιότητες του λίθιου σε όλη τη μελλοντική εργασία προσομοίωσης. Ο Herbert και Hackney παρέχουν επίσης τα πειραματικά στοιχεία που δείχνουν ότι το λίθιο μπορεί να έχει μια ενισχυμένη δυνατότητα να μετασχηματίσει τη μηχανική ενέργεια στις κλίμακες θερμότητας επί μακρόν λιγότερο από 500 νανόμετρα.

Στο άρθρο που ακολουθεί, «Nanoindentation του high-purity ατμού κατάθεσε τις ταινίες λίθιου: Μια μηχανιστική αιτιολόγηση της διάχυση-μεσολαβημένης ροής,» Herbert και Hackney κλίμακες του λίθιου εγγράφων υψηλής αντοχής επί μακρόν εντυπωσιακά λιγότερο από 500 νανόμετρα, και παρέχουν το αρχικό πλαίσιό τους, το οποίο στοχεύει να εξηγήσει πώς η δυνατότητα του λίθιου να ρυθμιστεί η πίεση ελέγχεται από τη διάχυση και το ποσοστό στις οποίες το υλικό είναι παραμορφωμένο.

Τέλος, «σε Nanoindentation των high-purity κατατεθειμένων ατμός ταινιών λίθιου: Μια μηχανιστική αιτιολόγηση της μετάβασης από τη διάχυση στην εξάρθρωση-μεσολαβημένη ροή,» οι συντάκτες παρέχει ένα στατιστικό πρότυπο που εξηγεί τους όρους κάτω από τους οποίους το λίθιο υποβάλλεται σε μια απότομη μετάβαση που διευκολύνει περαιτέρω τη δυνατότητά της να ανακουφίσει την πίεση. Παρέχουν επίσης ένα πρότυπο που συνδέει άμεσα τη μηχανική συμπεριφορά του λίθιου με την απόδοση της μπαταρίας.

«Προσπαθούμε να καταλάβουμε τους μηχανισμούς από τους οποίους το λίθιο ανακουφίζει τις κλίμακες πίεσης επί μακρόν που είναι ισόμετρες με τις ενδιάμεσες ατέλειες,» Herbert λέει. Η βελτίωση της κατανόησης αυτού του θεμελιώδους ζητήματός μας θα επιτρέψει άμεσα την ανάπτυξη μιας σταθερής διεπαφής που προωθεί την απόδοση ανακύκλωσης χρηματοκιβωτίων, μακροπρόθεσμου και υψηλού ποσοστού.

Λέει το Herbert: «Ελπίζω η εργασία ότι μας έχει έναν σημαντικό αντίκτυπο στους ανθρώπους κατεύθυνσης να πάρει την προσπάθεια να αναπτυχθούν οι συσκευές αποθήκευσης επόμενος-GEN.»