科学家在可充电电池性能方面解决了镁之谜

2019-06-06 16:14:41
来源:

基于镁而不是锂的可再充电电池有可能通过将更多能量装入更小的电池来扩展电动车辆的范围。但无法预见的化学障碍减缓了科学进步。

并且固体与液体相遇的地方 - 相反充电的电池电极与周围的化学混合物(称为电解质)相互作用 - 是已知的问题点。

现在,由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家领导的美国能源部能量储存研究联合中心的一个研究小组已经发现了一组令人惊讶的涉及镁的化学反应,即使在电池可以使用之前也会降低电池的性能。被收费。

这些发现可能与其他电池材料有关,并可能将下一代电池的设计转向避免这些新发现的陷阱的变通方法。

该团队使用X射线实验,理论建模和超级计算机模拟来全面了解在数十纳米的电极表面内发生的液体电解质的化学分解,这会降低电池性能。他们的研究结果在线发表在“ 材料化学 ”杂志上。

他们测试的电池的特征在于镁金属作为其负电极(阳极)与由液体(一种称为二甘醇二甲醚的溶剂)和溶解的盐Mg(TFSI)2组成的电解质接触。

虽然他们使用的材料组合被认为在电池的静止状态下是兼容的和非反应性的,但伯克利实验室的先进光源(ALS)(一种称为同步加速器的X射线源)的实验发现,事实并非如此,并且导致学习新的方向。

“人们曾经认为这些材料的问题发生在电池充电过程中,但实验表明已经有一些活动了,”David Prendergast说,他是分子铸造厂纳米结构材料设施理论的指导者,并担任其中一员。学习的领导者。

“那时候非常有趣,”他说。“什么可能导致在这些条件下应该稳定的物质之间发生这些反应?”

Molecular Foundry的研究人员对电极和电解质相遇的点进行了详细的模拟,称为界面,表明在理想条件下不会发生自发的化学反应。然而,模拟没有考虑到所有的化学细节。

“在我们进行调查之前,”负责X射线实验并与Prendergast共同领导研究的ALS科学家Ethan Crumlin表示,“人们怀疑这些材料的行为以及可能与电池性能不佳有关,但他们认为尚未在工作电池中得到证实。“

商业上流行的锂离子电池为许多便携式电子设备(如移动电话,笔记本电脑和电动工具)以及不断增长的电动汽车车队提供动力,使锂离子穿梭 - 锂原子通过脱落电子而变为带电电荷两个电池电极之间。这些电极材料在原子尺度上是多孔的,并且当电池充电或放电时交替地加载或排空锂离子。

在这种类型的电池中,负电极通常由碳组成,其比其他材料具有更有限的储存这些锂离子的能力。

因此,通过使用另一种材料来增加储存的锂的密度将使得更轻,更小,更强大的电池成为可能。例如,在电极中使用锂金属可以在相同的空间内包装更多的锂离子,尽管它是一种高活性物质,当暴露在空气中时会燃烧,并且需要进一步研究如何最好地包装和保护它长时间 - 期限稳定。

镁金属比锂金属具有更高的能量密度,这意味着如果使用镁而不是锂,您可以在相同尺寸的电池中储存更多能量。

镁也比锂更稳定。其表面形成自我保护的“氧化”层,因为它与空气中的水分和氧气反应。但在电池中,这种氧化层被认为会降低效率并缩短电池寿命,因此研究人员正在寻找避免其形成的方法。

为了更详细地探索这一层的形成,该团队采用了最近在ALS开发的一种独特的X射线技术,称为APXPS(环境压力X射线光电子能谱)。这种新技术对固体和液体界面处发生的化学反应敏感,这使其成为探索电极表面电池化学性质的理想工具,在电极表面遇到液体电解质。

甚至在将电流馈入测试电池之前,X射线结果显示出电解质的化学分解迹象,特别是在镁电极的界面处。研究结果迫使研究人员重新思考这些材料的分子级图谱以及它们如何相互作用。

他们所确定的是,在镁上形成的自稳定的薄氧化物表面层具有驱动不需要的反应的缺陷和杂质。

“这不是金属本身或其氧化物,这是一个问题,”普伦德加斯特说。“事实上,你可以在氧化表面产生缺陷。这些微小的差异成为反应的场所。它以这种方式自食其力。”

进一步的模拟提出了氧化镁表面可能存在的缺陷,表明阳极氧化表面层中的缺陷可以暴露镁离子,然后镁离子充当电解质分子的陷阱。

如果自由漂浮的氢氧根离子 - 含有单个氧原子的分子与氢原子结合,可以形成微量的水与镁金属反应 - 遇到这些表面结合的分子,它们就会发生反应。

这会浪费电解液,随着时间的推移会使电池变干。这些反应的产物会污染阳极表面,影响电池的功能。

在团队的实验成员和理论成员之间来回进行了几次迭代,以开发与X射线测量一致的模型。这项工作得到了实验室国家能源研究科学计算中心数百万小时的计算能力的支持。

研究人员注意到在同一个实验室中获得X射线技术,纳米级专业知识和计算资源的重要性。

结果也可能与其他类型的电池材料相关,包括基于锂或铝金属的原型。普伦德加斯特说:“这可能是一种更普遍的现象,它定义了电解质的稳定性。”

Crumlin补充道,“我们已经开始进行新的模拟,可以向我们展示如何改变电解质以减少这些反应的不稳定性。” 同样,他说,有可能定制镁的表面,以减少或消除一些不需要的化学反应。

“而不是允许它创建自己的界面,你可以自己构建它来控制和稳定界面化学,”他补充说。“现在它导致无法控制的事件。

声明:本站系本网编辑转载,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系,我们将在第一时间删除内容!
热门文章
头条推荐