固态电解质图像
歌手组在固态电解质中利用缺陷和脱位,以产生卓越的储能材料。(由美国化学学会提供的图像)

由Cornell University(伊萨卡,纽约州)领导的合作使用X射线纳米瘤以获得前所未有的视图,以固态电解质,揭示了先前未被发现的晶体缺陷和位错,这些缺陷和脱位现在可以利用以产生卓越的储能材料。

半个世纪,材料科学家一直在研究金属微小缺陷的影响。成像工具的演变现已创造了探索其他材料的类似现象的机会,最重要的是那些用于储能的现象。

该团队使用同步辐射辐射在电池材料中揭示常规方法,例如电子显微镜,未能找到的电池材料中的原子尺度缺陷。它们对固态电解质特别感兴趣,因为它们可能用于更换锂离子电池中的液体和聚合物电解质。液体电解质的主要缺点之一是它们易于形成阳极和阴极之间的尖峰树突的形成,这使得电池短路,甚至更糟,导致它爆炸。

固态电解质具有不易燃的美德,但它们呈现自己的挑战。它们不会像流体一样强烈或快速地进行锂离子,并且阳极和阴极之间的接触可能是困难的。固态电解质还需要极薄;否则,电池太笨重,任何容量的收益都会被否定。

可以使固态电解质可行的一件事?微小的缺陷可能有助于离子扩散,这将使离子更快,所知在金属中发生的东西。也喜欢在金属中,在预防骨折方面具有缺陷更好。

然后,康奈尔队随后与弗吉尼亚科技的研究人员合作,合成了样品:石榴石晶体结构,氧化镧氧化锆(LLZO),在一种称为掺杂的过程中加入各种浓度的铝。

Using the Advanced Photon Source at the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory, they employed a technique called Bragg Coherent Diffractive Imaging in which a pure, columnated X-ray beam is focused — much like a laser pointer — on a single micron-sized grain of LLZO. Electrolytes consist of millions of these grains. The beam created a 3D image that ultimately revealed the material’s morphology and atomic displacements.

最初假设电解质是完美的晶体,但研究人员发现缺陷如之前没有报道的脱位和晶界。没有3D成像,这对缺陷非常敏感,可能无法看到这些脱位,因为位错密度如此之低。

研究人员现在计划进行一项研究,衡量缺陷如何影响实际电池中固态电解质的性能。

“现在我们确切地知道我们正在寻找的东西,我们想找到这些缺陷并在我们操作电池时看看它们,”群体领导者Andrej Singer说。“我们仍然远离它,但我们可能是一个新的发展开始,我们可以故意设计这些缺陷来制造更好的储能材料。”

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