Создание лучшей батареи

Ученые знают, что заставляет литий-ионные аккумуляторы выделять энергию для питания наших телефонов, устройств, автомобилей — нашей жизни. Заряженные атомы лития, называемые ионами, перемещаются через жидкий электролит в слои графита, позволяя электронам течь и питать устройства. Этот процесс называется интеркаляцией.

Но ученые мало что понимают в этом процессе, говорит Скотт Уоррен, доцент химического факультета Колледжа искусств и наук. «Как литий входит и выходит из графита. Как он заряжается. Как он разряжается?»

Ответы на эти вопросы — это то, что Мигель Рейна, младший химик из Фейетвилля, Северная Каролина, ищет в лаборатории Уоррена. Летняя исследовательская стипендия для студентов в размере 5000 долларов поддерживает исследования Рейны.

Рейна смотрит на интеркаляцию, позволяющую получить несколько цветов. «Красный, оранжевый, желтый, синий, фиолетовый — цвета для каждой отдельной стадии этой трансформации», — сказал Уоррен. «Эти этапы еще не полностью охарактеризованы. Что происходит на каждом из этих этапов?»

Последовательно воспроизводя этапы и анализируя их, Рейна надеется расширить понимание исследователями аккумуляторов и помочь их улучшить. Одна из целей — хранить больше лития в батареях, чтобы увеличить энергию и обеспечить более длительный заряд батареи.

«Это все равно что пытаться максимально использовать ящик картотеки. Литий — это бумага. У нас есть ящик, полный папок, и мы задаемся вопросом, сколько листов бумаги мы можем поместить, и он все еще работает», — сказала Рейна.

По словам Уоррена, помещение слишком большого количества лития в одно и то же пространство для повышения напряжения или мощности может привести к разбуханию батареи, утечке, растрескиванию или нежелательным химическим реакциям.

Рейна начинает свои эксперименты с создания устройства, основанного на анатомии бытовых батарей, с двумя электродами — положительным и отрицательным. Они накапливают и выделяют ионы лития во время зарядки и разрядки, подобно губке, впитывающей воду, а затем высвобождающей ее при сжатии. Электролит, обычно жидкость, содержащая растворенную соль лития, проводит или позволяет ионам лития течь между электродами для хранения и производства электрической энергии.

Основой устройства является стеклянное лабораторное предметное стекло. Рейна использует распылитель, чтобы покрыть предметное стекло блестящим слоем титана, тонким, как мыльный пузырь. Он приклеивает тефлоновую рамку (например, миниатюрную прямоугольную оконную раму) к слайду с помощью эпоксидной смолы. Длинным пинцетом он наносит слой графита толщиной с человеческий волос внутри рамы, а затем применяет вольтметр, чтобы убедиться, что он проводит электричество.

После того, как эпоксидная смола затвердеет через три дня, ее помещают в рабочее пространство, называемое перчаточным ящиком, в котором нет кислорода. Рейна помещает устройство в коробку через воздушный шлюз, затем достает внутрь длинные резиновые перчатки, которые прикрепляются к отверстиям в коробке и удерживают предметное стекло. Он добавляет литий в жидкой форме и герметизирует устройство.

Затем он помещает устройство под оптический микроскоп, чтобы проверить его качество. Если структурно все в порядке, он начинает снимать вставку на видео в течение четырех часов. Именно здесь он надеется увидеть этапы миграции в цветах.

Его цель — последовательно воспроизвести устройство и эксперимент и увидеть закономерности прогресса, отображаемые во многих экспериментах. «Я надеюсь настроить это устройство так, чтобы мы могли идеально видеть цвета». Как только он увидит закономерность, команда сможет использовать другие методы визуализации, чтобы узнать больше об интеркаляции.

«Если мы сможем понять основы, мы сможем выяснить, как сделать его более эффективным, возможно, привнести некоторые инновации в батареи», — сказала Рейна.