Preučevanje razvoja nanostruktur trdnih produktov praznjenja litij-žveplovega akumulatorja z uporabo operando sipalnih tehnik
Neustrezno razumevanje mehanizmov, ki reverzibilno pretvorijo molekularno žveplo (S) v litijev sulfid (Li2S) preko tvorbe topnih polisulfidov, ovira razvoj visoko zmogljivih litij-žveplovih (Li-S) akumulatorjev.
Iz tega razloga smo raziskovalci s Kemijskega Inštituta v sodelovanju z mednarodno raziskovalno skupino preučevali nukleacijo delcev, rast in raztapljanje trdnih depozitov od atomskega do submikronskega nivoja. Pri tem so uprabili operando ozko- in širokokotno rentgensko sipanje (SWAXS) in operando ozkokotno nevtronsko sipanje (SANS) v realnem času med samim delovanjem Li-S celice.
S pomočjo stohastičnega modeliranja, ki temelji na SANS podatkih, smo kvantificirali nastajajoče faze med delovanjem akumulatorja na atomskem nivoju. Pokazali smo, da nastali depozit poleg nanokristaliničnega Li2S vsebuje tudi trdne depozite kratkoverižnih polisulfidov. Analiza eksperimentalnih podatkov je pokazala, da se Li2S2 na začetku obori iz raztopine in se nato delno pretvori preko elektroredukcije v trdnem stanju v Li2S. Dokazali smo, da transport elektronov skozi tanek pasivni film ne omejuje delovanje Li-S celic, temveč je za to odgovoren masni transport.
Primer iz Li-S akumulatorja dokazuje, da so strukturne informacije, pridobljene na nanoskopskem nivoju, ključne za razumevanje kompleksnih transformacij v katodnih materialih. Operando SAXS in SANS imata edinstven dostop do atomskega in vse do submikronskega nivoja, metodi sta tudi občutljivi na morfologijo tako kristalnih kot amorfnih faz. V kombinaciji s stohastičnim modeliranjem in strojnim učenjem bosta SAXS in SANS zelo pomembna za kvantifikacijo reakcijskih mehanizmov, procesov rasti produktov in faznih transformacij, kar bo omogočilo boljše razumevanje prihodnjih shranjevalnikov energije.
Rezultati so bili objavljeni v priznani mednarodni reviji Nature communications.
Povezava: https://www.nature.com/articles/s41467-022-33931-4
Kontakt za več informacij: alen.vizintin(at)ki.si, sara.drvarictalian(at)ki.si, robert.dominko(at)ki.si