ไนโอเบียมทังสเตนออกไซด์ช่วยให้แบตเตอรี่ชาร์จเร็วขึ้น

ไนโอเบียมทังสเตนออกไซด์ช่วยให้แบตเตอรี่ชาร์จเร็วขึ้น

มีทางเลือกอื่นนอกเหนือจากวัสดุอิเล็กโทรดที่มีโครงสร้างนาโนเพื่อเพิ่มความเร็วในการแพร่กระจายไอออนิกในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และเพิ่มกำลังไฟฟ้าสูงสุดและอัตราการชาร์จหรือไม่ ได้ ตามที่นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในสหราชอาณาจักรซึ่งได้แสดงให้เห็นว่าไนโอเบียมทังสเตนออกไซด์ที่ซับซ้อนสองชนิดสามารถแทรกแซงลิเธียมจำนวนมากได้แม้ว่าออกไซด์จะมีขนาดไมครอน 

งานใหม่นี้จะมีความสำคัญต่อการพัฒนา

ระบบที่ต้องการการจ่ายพลังงานสูงและ/หรือการชาร์จอย่างรวดเร็ว (นึกถึงโทรศัพท์มือถือที่สามารถชาร์จจนเต็มได้ในเวลาเพียงไม่กี่นาที) นอกจากนี้ยังอาจมีนัยสำหรับการจัดเก็บพลังงานโซลิดสเตต เช่น ในรถยนต์ไฟฟ้า และการจัดเก็บขนาดกริดสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้มีอยู่ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองขั้ว – แอโนดและแคโทด – คั่นด้วยอิเล็กโทรไลต์ เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จด้วยพลังงานไฟฟ้า ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนจากแคโทดผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแอโนด ซึ่งจะถูกดูดซับและเก็บไว้ในวัสดุแอโนดจำนวนมาก

เอาต์พุตกำลังสูงสุดและอัตราการชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่เหล่านี้โดยทั่วไปจะถูกจำกัดโดยการขนส่งไอออนิกแบบโซลิดสเตตในอิเล็กโทรด เพื่อเพิ่มความเร็วในการแพร่กระจายไอออนิกและเพื่อให้ได้พลังงานสูงและการชาร์จที่รวดเร็ว ขนาดของอนุภาคแอคทีฟในอิเล็กโทรดมักจะถูกลดขนาดลงเหลือระดับนาโน เพื่อให้ลิเธียมไอออนมีระยะการเดินทางสั้นลง อย่างไรก็ตาม อนุภาคนาโนนั้นบรรจุรวมกันได้ยาก ซึ่งส่งผลต่อความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรของแบตเตอรี่ พวกมันยังประมวลผลได้ยากและอาจเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่ต้องการกับอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นจึงลดอายุการใช้งานแบตเตอรี่และเพิ่มต้นทุนในท้ายที่สุด 

“ไม่จำเป็นต้องปรับขนาดนาโนและโครงสร้างนาโน”

ทีมนักวิจัยที่นำโดยแคลร์ เกรย์ได้พบว่าไนโอเบียมทังสเตนออกไซด์ “บล็อก” หรือ “คล้ายทองแดง” ที่ซับซ้อน (Nb 16 W 5 O 55 และ Nb 18 W 16 O 93 ) สามารถแทรกแซงลิเธียมปริมาณมากได้ในอัตราที่สูง แม้ว่าอนุภาคจะมีขนาดใหญ่ถึง 30 ไมครอนก็ตาม การวัดการเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียมในวัสดุ (โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า NMR ของสนามพัลส์) ชี้ไปที่อัตราการแพร่ของอุณหภูมิห้องซึ่งมีลำดับความสำคัญสูงกว่าวัสดุอิเล็กโทรดทั่วไป เช่น Li 4 Ti 5 O 12 และ LiMn 2 O 4. Kent Griffith ผู้เขียนนำการศึกษา กล่าวว่าการขนส่งลิเธียมแบบโซลิดสเตตอย่างรวดเร็วในวัสดุจำนวนมากทำให้เกิดความจุเชิงปริมาตรและอัตราที่สูงมาก ดังนั้นการปรับขนาดนาโนและโครงสร้างนาโนจึงไม่จำเป็น

อิเล็กโทรดลบทั่วไปส่วนใหญ่ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำจากกราไฟต์ซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูง เกรย์อธิบาย อย่างไรก็ตาม เมื่อชาร์จในอัตราที่สูง จะเกิดเส้นใยลิเธียมแบบ spindly ที่เรียกว่าเดนไดรต์ สิ่งเหล่านี้อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและทำให้แบตเตอรี่ลุกไหม้หรือระเบิดได้

“ในการใช้งานที่มีอัตราสูง ความปลอดภัยเป็นเรื่องที่ต้องกังวลมากกว่าในสถานการณ์อื่นๆ” เธอกล่าว “วัสดุเหล่านี้และวัสดุอื่นๆ ที่อาจคล้ายคลึงกัน คุ้มค่าที่จะมองหาแอพพลิเคชั่นที่ชาร์จเร็ว ซึ่งคุณต้องการทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าสำหรับกราไฟท์”

“แง่มุมที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของงานของเราคือการค้นพบว่าวัสดุกักเก็บพลังงานที่มีโครงสร้างแหกคอกสามารถอวดประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมได้” Griffith กล่าวกับPhysics World “นี่หมายความว่าพื้นที่เฟสองค์ประกอบ/โครงสร้างที่ซับซ้อนและยังไม่ได้สำรวจอาจถือสัญญาสำหรับอุปกรณ์รุ่นต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การแยกตัวออกจากความเชื่อที่มักถือกันว่าการปรับขนาดระดับนาโนเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้พื้นที่จัดเก็บที่มีอัตราสูง อาจช่วยให้การเปลี่ยนจากวัสดุใหม่ไปสู่การใช้งานได้”

ความหนาแน่นสูงขึ้นที่อัตราการคายประจุ/ประจุสูง

หนึ่งในรายงานไนโอเบียมทังสเตนออกไซด์ที่สร้างขึ้นจาก 4 x 5 บล็อกของ (Nb,W)O 6  octahedra ที่เชื่อมต่อกันตามระนาบเฉือน เขากล่าวเสริม อีกขั้นตอนหนึ่งคือ “เหมือนบรอนซ์” ซึ่งเปิดโดยเสาของออกซิเจนซึ่งเปิดชั้นอะตอม สารประกอบทั้งสองสามารถสังเคราะห์ได้ง่ายและปล่อยให้ลิเธียมไอออนเคลื่อนที่ผ่านพวกมันอย่างรวดเร็วในรูปแบบ 3 มิติ สถาปัตยกรรมของพวกเขายังทำให้มีความแข็งมากกว่าวัสดุแบตเตอรี่อื่นๆ

“พวกมันอาจให้ความหนาแน่นสูงขึ้นได้อย่างปลอดภัยด้วยอัตราการคายประจุ/ประจุที่สูง และสามารถใช้ในระบบที่ต้องการการจ่ายพลังงานสูงและ/หรือการชาร์จอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจใช้ร่วมกับแบตเตอรี่ที่มีอัตราความหนาแน่นต่ำและมีพลังงานสูง” เขากล่าว . ความจริงที่ว่าสามารถผลิตได้โดยปราศจากสารเคมีหรือตัวทำละลายเพิ่มเติมเป็นอีกประเด็นหนึ่งที่พวกเขาต้องการ

ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิจัยจาก Advanced Photon Source ที่ห้องปฏิบัติการ Argonne National ในสหรัฐอเมริกาและ Diamond Light Source ใน Didcot ในสหราชอาณาจักรกล่าวว่าขณะนี้ขณะนี้กำลังยุ่งอยู่กับการดำเนินการทดสอบทางเคมีไฟฟ้าเพิ่มเติมเกี่ยวกับไนโอเบียมทังสเตนออกไซด์และปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะ . “นอกจากนี้ เราจะนำหลักการออกแบบและเทคนิคการกำหนดลักษณะเฉพาะขั้นสูงที่ใช้ในงานนี้เพื่อค้นพบองค์ประกอบของวัสดุและเคมีใหม่ๆ” กริฟฟิธกล่าว

กลไกความเสียหายเหล่านี้ขัดขวางไม่ให้บรรลุความละเอียดย่อยของอังสตรอมในตัวอย่างที่ละเอียดอ่อน เช่น วัสดุ 2 มิติ ซึ่งสามารถกำจัดได้อย่างรวดเร็วด้วยลำแสงอิเล็กตรอนอันทรงพลัง: “ถ้าฉันมีวัสดุ 2 มิติ และฉันทำลายหนึ่งอะตอมทุกวินาที ฉัน จะสังเกตเห็นเกือบจะในทันทีว่ามันดูเหมือนชีสสวิส” มุลเลอร์กล่าว

มุลเลอร์และเพื่อนร่วมงานแก้ปัญหาด้วยการใช้ประโยชน์จากเทคนิคที่เรียกว่า ptychography ซึ่งเกิดขึ้นครั้งแรกสำหรับผลึกศาสตร์เอ็กซ์เรย์เมื่อเกือบ 50 ปีที่แล้ว แต่โดยหลักการแล้วใช้ได้กับการถ่ายภาพด้วยอิเล็กตรอนอย่างเท่าเทียมกัน แนวคิดคือการบันทึกรูปแบบการเลี้ยวเบนที่แน่นอนที่สร้างขึ้นบนเครื่องตรวจจับจากทุกจุดในตัวอย่าง และเพื่อศึกษาว่าสิ่งนี้เปลี่ยนแปลงอย่างไรในกลุ่มตัวอย่าง จากข้อมูลนี้ เป็นไปได้ที่จะสร้างเฟสของคลื่นสสารที่เลี้ยวเบนโดยกลุ่มตัวอย่างขึ้นใหม่ และคำนวณรูปร่างของวัตถุที่เลี้ยวเบน หรืออีกนัยหนึ่งคือ รูปแบบของอะตอม

เนื่องจากเทคนิคนี้ไม่เพียงแต่บันทึกความเข้มของลำแสงเท่านั้น แต่ยังใช้เทคนิคนี้เพื่อสร้างฟังก์ชันคลื่นควอนตัมพื้นฐานขึ้นใหม่ จึงสามารถดึงข้อมูลได้มากขึ้นต่ออิเล็กตรอนหนึ่งตัว และอาจต้องใช้อิเล็กตรอนน้อยกว่ามาก แต่การใช้งานในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกขัดขวางโดยข้อกำหนดที่น่าเกรงขามที่วางอยู่บนเครื่องตรวจจับ นี่เป็นเพราะ ptychography ต้องการให้เฟสของฟังก์ชันคลื่นวัดได้อย่างแม่นยำเท่ากันทั้งในจุดที่มืดและจุดสว่าง แต่ในการทดลองการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน พีคการเลี้ยวเบนของมุมสูงจะมืดมากเมื่อเทียบกับสัญญาณจากลำแสงหลัก

Credit : เกมส์ออนไลน์แนะนำ >> ป๊อกเด้งออนไลน์