基于工厂的电池借助中子进行测试和改进模拟

当奥兰多里奥斯首次开始分析由木质植物聚合物(称为木质素)制成的碳纤维样品时，他发现了一些不同寻常的东西。这种材料的微观结构 – 分布在纤维基质中的完美球形纳米级微晶的混合物 – 看起来几乎太好了。

能源部橡树岭实验室的材料科学家里奥斯说：“我认为，这看起来像是一种材料，人们会通过大量修改石墨来使其看起来像这样。” “它与我见过的任何其他石墨都有明显不同的微观结构。”

里奥斯和他的同事很快意识到木质素纤维的独特结构可以使其作为电池阳极使用，可能会改善大多数锂离子电池中的石墨材料。木质素是纸浆，造纸和生物燃料行业的低成本副产品，可通过简单且工业可扩展的制造工艺转变为更便宜的高度工程化石墨。

“当我们处于聚合物状态时，我们从纤维开始，然后通过基本上熔化和燃烧它们将它们融合在一起，”里奥斯说。“然后你的结构看起来就像一张垫子或一张纸。你可以拿这种材料，把它放在电池里，然后你就完成了。它已经准备好了。”

木质素衍生电池的初步测试在容量和循环稳定性方面显示出有希望的结果，但研究人员希望了解材料与其他石墨的表现如何以及为何如此不同。里奥斯开始与田纳西大学计算材料集团合作，由David Keffer领导，进一步研究纤维的结构和行为。

“我们可以用很多技术来研究这些由无定形基质中的晶体区域组成的独特材料，”UT的Nafflas McNutt说，他是Keffer集团的研究生。“我们希望将橡树岭实验室的一些最佳资源 – 中子和计算机 – 捆绑在一起 – 看看我们能做些什么。”

该团队在ORNL的散裂中子源(SNS)进行了中子散射实验，以分析木质素基纤维样品如何与锂反应。SNS是能源部科学办公室的用户设施，为世界科学研究和工业发展提供最强的脉冲中子束。

利用中子数据，该团队开发了计算模型并在超级计算机上进行了模拟，包括由能源部科学办公室支持的橡树岭领导计算设施(OLCF)Titan和由科学基金会支持的UT的Kraken。该团队在Journal of Applied Crystallography中详述了其方法。

“我们的模型允许我们采用实验中子散射数据并预测有关局部原子结构的事情，”McNutt说。“我们正在使用计算以前所未有的方式理解实验数据。”

中子实验和模拟的初步组合使UT-ORNL团队首次了解材料的结构如何影响其整体性能。现在他们已经确认了模型的准确性，研究人员计划将该技术应用于材料的结构如何随着和不添加锂的变化而变化，模仿真实电池的充电和放电周期。

“仿真最有用的方面是我们可以准确地看到锂在这些结构中的作用，”McNutt说。“如果我们可以看到它存储的位置，存储的数量，它所扩散的结构区域，我们基本上可以找出使这些低成本材料具有高性能的所有原因。一旦我们知道了，我们就知道了可以帮助指导制造过程。“

McNutt得到了橡树岭联合大学高性能计算项目，UT可持续能源教育与研究中心和科学基金会的支持。该研究项目使用了NSF支持的计算科学研究所的资源。该研究还得到了ORNL实验室指导研究和发展计划的部分赞助。SNS和OLCF都是能源部科学办公室的用户设施。

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