Глава 195 Твердотельные электролиты и нанопористые материалы
Лаборатория Научного Острова, комната для подготовки образцов.
— Ммм… пока что подготовили четыре типичных твердых электролита.
— Твердые электролиты — оксиды LLZO, сульфиды Li3PS4 и Li6PS5Cl, а также полимерный электролит на основе PEO.
— Для аккумулятора положительным материалом будет серовый анод, конкретно композитный материал S/C.
— Для аккумулятора отрицательным материалом будет литий металла.
— Затем...
Сяо И очень осторожно извлек все необходимые материалы.
Затем он с этими материалами направился в соседнюю электрохимическую лабораторию.
Электрохимическая лаборатория была специально оборудована для проведения электрохимических экспериментов и предназначена для тестирования электрохимических свойств материалов, в особенности при исследовании энергетических материалов, таких как аккумуляторы и конденсаторы.
Затем Сяо И приступил к сборке батареи.
Сборку батареи он проводил в ящике для перчаток, обеспечивая безводно-безоксигенную среду. Затем, используя корпус типа button cell CR2032, он собирал её в следующем порядке: литиевый металлический анод — твердотельный электролит — серосодержащий катод.
Затем он начал проводить электрохимические испытания, в основном циклические испытания по постоянному току и измерения электрохимического импеданса.
На данный момент твердотельные литиевые батареи можно реализовать в лабораторных условиях, но для перехода от лаборатории к коммерческому применению ещё предстоит сделать много работы.
Конечно, сейчас эксперименты Сяо И проводятся в основном для получения соответствующих экспериментальных данных, а затем он использует своё умение 【Мастерство материалов】 для выбора направления дальнейших исследований.
Например, ему предстоит решить, работать ли ему с оксидами, сульфидами или полимерами.
Ну, для начала проверим 50 циклов при постоянной точке зарядки и разрядки.
После сборки каждого аккумулятора включим общий контур и выждем результаты цикла.
Конечно, помимо этого, у нас ещё есть нано-индентационное тестирование.
С помощью нано-индентационного прибора измеряем твердость и модуль Юнга твердых электролитных пленок. Таким образом, можно оценить влияние различных твердых электролитов на литиевые иглы.
Сяо И, естественно, подготовил ещё больше образцов для проведения испытаний.
Результаты нано-индентационного тестирования были получены довольно быстро.
— Эм… у ЛЛЗО наибольшая твердость и модуль Юнга. Другие электролитические материалы имеют значительно меньшую механическую прочность, особенно полимерные электролиты на основе PEO. Механические свойства этих полимерных электролитов самые слабые.
— Таким образом, ЛЛЗО является довольно идеальным вариантом.
— Давайте ещё подождём результатов электрохимических испытаний.
50 циклов занимают немало времени, чтобы лучше проверить эти твердые электролиты в отношении литиевых игл. Сяо И немного ускорил скорость зарядки и разрядки примерно до 2C, поэтому ожидается, что потребуется около 50 часов.
Значит, два дня.
Сяо И начал ждать.
Конечно, эти два дня он тоже не сидел без дела, продолжал собирать все материалы, связанные с этим, и попутно связывался с теми, кто получил приглашение на работу, чтобы узнать, когда они смогут приступить к ней.
Подавляющее большинство выпускников этого года заявило, что сможет быстро приступить к работе.
Ведь у этих выпускников достаточно времени, так как у них нет других должностей, и они могут быстро приехать в лабораторию.
Только те, кто уже были заместителями руководителей исследований или профессорами-преподавателями и занимали свои должности, должны сначала завершить свои рабочие дела до приезда.
А немного особенным было то, что некоторые из тех, кто уже были постдоками, выбрали уйти с этой должности, чтобы вернуться в лабораторию научного острова и продолжить работу по программе постдока.
Внутри страны в этой сфере существуют проблемы с механизмами для постdocs. Постdoc уже не студент, скорее, это как наемный работник. Хочешь уйти с прежней должности, но всё равно нужен отметка руководителя.
Но на этот раз из отобранных постдоков был только один человек — Лю Сяодун.
Лю Сяодун тоже прислал сообщение, что ему ещё понадобится некоторое время, чтобы разобраться со всем.
Поэтому Сяо И больше не расспрашивал.
Так и прошли два с половиной дня.
Сяо И снова вошел в электрохимическую лабораторию, взглянул на ход эксперимента: 50 циклов уже завершено, все результаты подсчитаны.
— LLZO и Li6PS5Cl демонстрируют высокую начальную емкость разряда, что указывает на высокую ионную проводимость обоих материалов: 1,0 × 10^-3 S/cm для LLZO и 5,0 × 10^-4 S/cm для Li6PS5Cl.
— Что касается циклической стабильности, то LLZO демонстрирует наилучшую циклическую стабильность, что свидетельствует о его хороших подавляющих эффектах в отношении явления миграции многосульфидов и образования литиевых игл.
— И наконец, по кулоновской эффективности LLZO также демонстрирует наивысшую эффективность. Электрохимические реакции более стабильны.
— Таким образом, LiLaO (литий-лантано-оксид) обладает действительно высоким потенциалом.
— Однако стоимость производства LLZO сравнительно высока.
Сяо И задумался.
Хотя LLZO и является горячей темой в исследованиях твердых электролитов в настоящее время, его производство требует высокотемпературного обжига при более чем 1000 градусах Цельсия. Это предъявляет высокие требования к энергопотреблению, оборудованию и экологическим условиям процесса производства. Кроме того, требование к высокой чистоте еще больше повышает сложность производства.
С точки зрения коммерциализации, LLZO всё ещё нужно решить множество проблем.
Что касается того, почему оно стало популярным в исследованиях, то все понимают. С точки зрения эксперимента, это материал с отличными характеристиками во всех аспектах, и добиться хороших результатов с ним довольно просто. В лаборатории никто не обращает внимания на высокую стоимость.
Вместо этого литийфосфатсульфурхлорид (Li6PS5Cl) более подходит.
Синтез можно проводить при температурах ниже 500 градусов Цельсия, что является сравнительно низкой температурой. Требования к атмосфере не такие строгие, как у LLZO, и требования к чистоте также не столь высоки. Кроме того, чрезмерное стремление к механической прочности материала может негативно сказаться на его конечной обрабатываемости. Литийфосфатсульфурхлорид более гибкий и удобен в обработке.
Кроме того, по поводу исходных материалов: в LLZO, как лантан, так и цирконий стоят недешево. А у литийфосфатсульфурхлорида...
— А это уже и говорить нечего: обычный человек, скорее всего, знает эти четыре элемента — литий, фосфор, сера и хлор. Лантана и циркония же знают немногие.
Если бы не то, что у Старого Чжу было много детей, название для этих элементов, наверное, не придумали бы.
Обдумав все, Сяо И всё же склонялся к твердому электролиту из лития, фосфора, серы и хлора.
Ведь его цель – добиться коммерческого производства, чтобы это стало товаром массового потребления, а не лабораторным продуктом, используемым лишь для получения результатов.
После этого он больше не spoke, снова достал образец литий-фосфор-серо-хлоридного материала и, добавив к нему все данные экспериментов, начал изучать его свойства.
Вновь погрузившись в микромир, на лице Сяо И вновь отразилось выражение наслаждения.
Мир твердого электролита был совершенно другим по сравнению с предыдущими сверхпроводниками, и в нем открылась новая грань микромира.
— Основная проблема с литий-фосфорно-серно-хлоридом на данный момент — это его химическая стабильность. При взаимодействии с водой и кислородом из воздуха он образует вредные побочные продукты, такие как сероводород. Кроме того, существует проблема совместимости с металлическим электродом из лития, которая приводит к химическим реакциям и формированию менее стабильной границы…
— Затем снова возникла проблема с интерфейсом. Высокое сопротивление интерфейса между литий-фосфорно-серно-хлоридом и материалом электрода влияет на эффективность передачи ионов.
— Проблема интерфейса… Проблема интерфейса…
Сяо И прищурился.
В области электрохимии проблема интерфейса является предметом очень широких исследований, которые в основном посвящены изучению взаимодействия и реакций между поверхностью электрода и электролитом.
В настоящее время для твердых электролитов самая большая проблема — различные неконтролируемые ситуации, которые могут возникать на границе раздела.
Например, это проблемы с интерфейсной проводимостью и химической совместимостью между электродом, например, металлическим литием, и твердым электролитом.
Неконтролируемые?
В сердце Сяо И возникла некоторая задержка, а затем, опираясь на свои знания материалов, он в программном обеспечении моделировал ультратонкий слой диоксида кремния на поверхности литий-фосфор-серебря-хлора. Затем он добавил поверх этого слоя еще один из молекул воды и кислорода.
В принципе, если бы молекулы воды и кислорода соединились с литий-фосфатом-серой-хлоридом, это могло бы вызвать химическую реакцию и повлиять на его свойства.
Но сейчас благодаря этому ультратонкому слою диоксида кремния эта проблема исчезает.
— Однако диоксид кремния также может повлиять на электропроводность литий-фосфор-серебря-хлорида. Получается, что выбрали семечку и потеряли арбуз — это нехорошо.
— Эм… Что насчёт использования нанопористой промежуточной прослойки?
С перемещением мысли Сяо И двуокись кремния ультратонкого слоя мгновенно преобразилась в нанопористую структуру.
— Эм… Можно ещё немного оптимизировать, тогда добавим немного адгезива на границу.
После этого на поверхности слоя из нанопористой двуокиси кремния в микромире плотно прилепилась ещё одна литиевая нитридная пленка.
Такой межфазный связующий материал не только повышает адгезию между слоями, но и увеличивает ионную проводимость.
Тогда, наверное, это уже довольно хороший твёрдый электролит.
Сяо И немного подумал и снова провел симуляцию роста литиевых кристаллов.
В этот раз нанопористый двуокись кремния смог благодаря достаточной механической прочности и твердости непосредственно физически остановить рост литиевых кристаллов. Равномерная структура нанопор с обеспечением равномерного распределения сил предотвратила концентрацию локальных напряжений, уменьшив вероятность проникновения кристалла.
Кроме того, нанопористый диоксид кремния благодаря своей пористой структуре способствует равномерному распределению потока ионов лития, что естественным образом снижает вероятность концентрации роста кристаллов лития.
Таким образом, нанопористый диоксид кремния представляет собой довольно хороший материал.
Однако вскоре Сяо И покачала головой.
На данный момент всё действительно неплохо, но есть одна проблема: объём различных материалов в аккумуляторе может меняться.
В микромире, во время процесса зарядки и разрядки, хрупкость диоксида кремния при объемном расширении и сжатии сама по себе приводит к появлению трещин.
Поэтому лучше всего...
Сяо И погрузился в раздумья, и внезапно его глаза засияли.
А если это углерод?
Наноматериалы, связанные с углеродом, весьма многочисленны, и в этой области исследований достаточно развита.
Такие, как графен, нанотрубки из углерода и тому подобное.
Подумав об этом, Сяо И тут же продолжил эксперименты.
День сменял день.
Сяо И почти каждый день проводил в лаборатории, непрестанно проводя эксперименты и делая предположения.
Пройдя множество отборов, он из различных нанопористых материалов — диоксида кремния, углерода, оксида алюминия и полимеров — остановился на нанопористой форме углерода как самом идеальном варианте.
Только вот это пока лишь предварительный отбор.
Даже среди нанопористых форм углерода существует множество разновидностей, и для того чтобы найти самую подходящую, придется продолжать экспериментировать.
Исследование материалов сводится к тому, что через различные гипотезы и предположения в конечном итоге находят наиболее подходящий материал.
В естественных науках исследования также проводятся таким же образом: через непрерывные эксперименты и поиски.
Выбор направления — самое главное.
Симуляция материалов даёт Сяо И огромные преимущества при выборе направления. Она не только экономит время, но и затраты на проведение экспериментов.
Прошла одна неделя.
Шэо-жунь, сейчас уже 13 человек на месте.
В кабинете мужчина лет тридцати обратился к Сяо И.
Этот человек — помощник, которого Сяо И пригласил из университета. Зовут его Ван Хао.
Приглашать помощника — вынужденная мера.
Хотя для научно-исследовательских институтов административный персонал, казалось бы, всегда раздражает тех, кто действительно занимается наукой, всё же приходится признать, что как учреждению такому необходимо иметь такой персонал.
В противном случае, чтобы обеспечить как научные достижения, так и бесперебойную работу института, одному человеку явно недостаточно.
Поэтому, как и в университетах, часто бывает должность постоянного заместителя директора, который занимается управлением повседневными делами университета. Директор, скорее всего, уделяет больше внимания научной работе и принимает решения только по важным вопросам.
А Сяо И, естественно, не мог отвечать за все дела лаборатории самостоятельно, поэтому нанял ассистента.
Ван Хао сам по себе был преподавателем физического факультета университета, но поскольку не любил научные исследования, большую часть времени занимался административной работой. Благодаря тому, что он всё же немного разбирался в науке, среди профессоров у него была неплохая репутация.
Затем он увидел объявление о вакансии в лаборатории научного острова и сразу подал заявку, быстро став ассистентом Сяо И.
Конечно, поскольку лаборатория на научном острове была небольшой и там работало немного людей, там не было такой суеты, как в университете.
- 13 человек? Тогда это хорошо.
Сяо И кивнул.
Кроме того, профессор Цянь Ваньли уже подтвердил, что вылетит через неделю.
О? Так быстро?
Сяо И был немного удивлён, ведь Цянь Ваньли — победитель программы «Учёные-перспективные молодые кадры», у него должно было быть много дел, но оказалось, что всё решилось так быстро.
Ван Хао кивнул: “Да, потому что профессор Цянь Ваньли давно готовился к переезду из Шанхайского университета связи. Его ученики успешно окончили обучение, он не принимал новых студентов, и все остальные дела были улажены.”
Сяо И кивнул и невольно улыбнулся; похоже, профессор Цянь Ваньли давно все обдумал.
Тогда все хорошо, еще чего-нибудь?
О, ещё одна вещь. Вы же раньше говорили мне обратить внимание на доктора наук по имени Лю Сяодун.
Лю Сяодун, похоже, сейчас попал в затруднительное положение. Он подал заявление об уходе с должности, но его руководитель отказался его подписать.
Слышав это, брови Сяо И нахмурились.
Действительно, все же произошло?
Вспомнив процесс собеседования с Лю Сяодуном, Сяо И понял, что хотя Лю Сяодун и не показал себя с лучшей стороны, но из его работ докторской программы Сяо И углядел кое-что. Проведя дополнительное расследование, он обнаружил, что его руководитель, Чжао Гоцин, в прошлом занимался исследованиями в области полимеров, а не наноматериалов. В итоге этот человек внезапно опубликовал статью о наноматериалах в журнале JMS&T.
JMS&T — это же топовый журнал в области материалов с показателем влияния более 10. Качество этой статьи должно быть очень высоким, как же Чжао Гоцин мог её написать? Невозможно, чтобы он опубликовал свою первую статью именно здесь.
После этого Сяо И связался с Цянь Ваньли. Как ведущий исследователь Шанхайского института материалов, он знал об этом кое-что. Действительно, руководитель Лю Сяодуна в их колледже славился тем, что эксплуатировал студентов. Хотя его уже предупреждали, поведение не изменил. Дело в том, что отец Чжао Гоцина — тот самый противник Цянь Ваньли, который вот-вот станет академиком.
Цянь Ваньли даже помнил Лю Сяодуна, этого доктора наук. Они когда-то встречались в лаборатории, и некоторые идеи Лю Сяодуна произвели на него неизгладимое впечатление.
С этим он справится.
Конечно, он с этим справится. Помимо учёных из Шанхая, он знаком практически со всеми учёными по всей стране.
Потому что он добился стольких успехов в математике, физике и материаловедении, его всегда окружали желающие пообщаться. Даже его давний соперник когда-то писал ему электронные письма.
Что касается этих писем с просьбой о контактах, Сяо И обычно не отказывал. Почти всегда он отвечал на вопросы, которые ему казались интересными.
Хотя все эти контакты были основаны на интересе, они в некотором роде также помогли ему накопить множество связей.
Конечно, если бы всё же не удалось решить вопрос самостоятельно, он мог просто позвонить начальнику Лю Цун, и дело было бы решено.
Однако, хорошо подумав, он решил всё же дать Лю Сяодуну самому решить, хочет ли он принять его помощь. Тогда он достал телефон и позвонил Лю Сяодуну.