Melhor, mais rápido, mais forte: Baterias da construção que não vão crescimento

July 11, 2018

Há um provérbio velho: “Você deve aprender andar antes que você aprenda correr.” Apesar de tal sabedoria, as indústrias numerosas saltam os princípios e assinam-nos acima para maratonas pelo contrário, incluindo a indústria da bateria.

As baterias de íon de lítio mantêm a promessa incrível para a capacidade de armazenamento melhorada, mas são temporárias. Nós todos ouvimo-nos a notícia sobre baterias de íon de lítio nos telefones -- especialmente o Samsung Galaxy 7 -- fazendo com que os telefones travem o fogo.

Muito do problema levanta-se do uso do eletrólito do líquido inflamável dentro da bateria. Uma aproximação é usar um eletrólito contínuo não-inflamável junto com um elétrodo do metal do lítio. Isto aumentaria a energia da bateria ao ao mesmo tempo diminuir a possibilidade de um fogo.

Essencialmente, o destino está construindo as baterias de circuito integrado da próxima geração que não vão crescimento. A viagem é compreender fundamentalmente o lítio.

“Todos apenas está olhando os componentes do armazenamento de energia da bateria,” diz Erik Herbert, professor adjunto da ciência de materiais e planejamento na universidade tecnologico de Michigan. “Muito poucos grupos de investigação estão interessados em compreender os elementos mecânicos. Mas baixo e ver, nós estão descobrindo que as propriedades mecânicas do lítio próprias podem ser a parte chave do enigma.”

Os pesquisadores da tecnologia de Michigan contribuem significativamente a ganhar uma compreensão fundamental do lítio com os resultados publicados hoje em uma série convidada do três-papel no jornal de Materials Research, publicado comummente pela imprensa da sociedade e da Universidade de Cambridge de Materials Research. Herbert e Stephen Hackney, professor da ciência de materiais e da engenharia, junto com Thole violeta, um aluno diplomado na tecnologia de Michigan, Nancy Dudney no laboratório nacional de Oak Ridge e Sudharshan Phani no centro de pesquisa avançado internacional para a metalurgia de pó e materiais novos, parte resultam esse relevo o significado do comportamento mecânico do lítio em controlar o desempenho e a segurança de baterias da próxima geração.

Como um concreto de danificação do ciclo da gelo-aproximação amigável, as dendrites do lítio danificam baterias

O lítio é um metal extremamente reativo, que lhe faça o mau comportamento inclinado. Mas é igualmente muito bom em armazenar a energia. Nós queremos nossos telefones (e computadores, tabuletas e outros dispositivos eletrónicos) carregar o mais rapidamente possível, e assim os fabricantes da bateria enfrentam pressões gêmeas: Faça as baterias que carregam muito rapidamente, passando uma carga entre o cátodo e o ânodo o mais rápido possível, e faça as baterias seguras apesar do carregamento repetidamente.

O lítio é um metal muito macio, mas não se comporta como esperado durante a operação de bateria. A pressão de montagem que ocorre inextricably durante o carregamento e o descarregamento de resultados de uma bateria nos dedos microscópicos do lítio chamou dendrites para encher falhas microscópicas pre-existentes e inevitáveis -- sulcos, poros e riscos -- na relação entre o ânodo do lítio e o separador contínuo do eletrólito.

Durante a ciclagem continuada, estas dendrites podem forçar sua maneira em, e eventualmente completamente, a camada contínua do eletrólito que separa fisicamente o ânodo e o cátodo. Uma vez que uma dendrite alcança o cátodo, o dispositivo procura um caminho mais curto e falha, frequentemente catastroficamente. Focos da pesquisa de Herbert e de Hackney em como o lítio abranda a pressão que se torna naturalmente durante o carregamento e o descarregamento de uma bateria de circuito integrado.

Seus documentos que de trabalho o comportamento notável do lítio no comprimento submicrónico escala -- furo para baixo nos atributos os menores e discutivelmente os mais confusos do lítio. Recortando filmes do lítio com uma ponta de prova diamante-derrubada para deformar o metal, os pesquisadores exploram como o metal reage à pressão. Seus resultados confirmam o inesperadamente de grande resistência do lítio nas escalas do pequeno-comprimento relatadas no começo desse ano por pesquisadores na tecnologia do Cal.

Construção de Herbert e de Hackney nessa pesquisa fornecendo a explicação inaugural, mecânica do lítio surpreendentemente de grande resistência.

A capacidade do lítio para difundir ou rearranjar seus próprios átomos ou íons na tentativa de aliviar a pressão imposta pela ponta do indenter, mostrada pesquisadores a importância da velocidade em que o lítio é deformado (qual é relacionado a como rapidamente as baterias são carregadas e descarregadas), assim como os efeitos dos defeitos e dos desvios no arranjo dos íons do lítio que compreendem o ânodo.

Furo para baixo para compreender o comportamento do lítio

No artigo “Nanoindentation do vapor da alto-pureza depositou filmes do lítio: O módulo elástico,” pesquisadores mede as propriedades elásticas do lítio para refletir mudanças na orientação física de íons do lítio. Estes resultados sublinham a necessidade das propriedades elásticas orientação-dependentes do lítio de incorporação em todo o trabalho futuro da simulação. Herbert e Hackney igualmente fornecem a evidência experimental que indica que o lítio pode ter uma capacidade aumentada para transformar a energia mecânica no calor escala longamente menos de 500 nanômetros.

No artigo que segue, “Nanoindentation do vapor da alto-pureza depositou filmes do lítio: Uma racionalização mecanicista do lítio do fluxo, de” do documento difusão-negociados Herbert e de Hackney notavelmente de grande resistência escala longamente menos de 500 nanômetros, e fornecem sua estrutura original, que aponta explicar como a capacidade do lítio para controlar a pressão é controlada pela difusão e pela taxa em que o material é deformado.

Finalmente, em “Nanoindentation do vapor da alto-pureza depositou filmes do lítio: Uma racionalização mecanicista da transição da difusão ao fluxo deslocação-negociado,” os autores fornece um modelo estatístico que explique as circunstâncias sob que o lítio se submete a uma transição abrupta que facilite mais sua capacidade para aliviar a pressão. Igualmente fornecem um modelo que ligue diretamente o comportamento mecânico do lítio ao desempenho da bateria.

“Nós estamos tentando compreender os mecanismos por que o lítio alivia as escalas da pressão longamente que são proporcionais com os defeitos interfacial,” Herbert diz. Melhorar nossa compreensão desta edição fundamental permitirá diretamente o desenvolvimento de um desempenho de ciclagem estável da relação que promove seguro, do prazo e da alto-taxa.

Diz Herbert: “Eu espero que nosso trabalho tem um impacto significativo na tomada dos povos do sentido que tenta desenvolver dispositivos de armazenamento seguinte-gen.”