Røntgenstråler afslører en skjult egenskab, der fører til fejl i et lithium-ion batterimateriale

I løbet af de sidste tre årtier, lithium-ion batterier, genopladelige batterier, der flytter lithium-ioner frem og tilbage for at oplade og aflade, har aktiveret mindre enheder, der safter op hurtigere og holder længere.

Nu, Røntgenforsøg ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Lawrence Berkeley National Laboratory har afsløret, at de veje, lithiumioner tager gennem et almindeligt batterimateriale, er mere komplekse end tidligere antaget. Resultaterne korrigerer mere end to årtiers antagelser om materialet og vil hjælpe med at forbedre batteridesignet, potentielt føre til en ny generation af lithium-ion-batterier.

Et internationalt team af forskere, ledet af William Chueh, en fakultetsforsker ved SLAC's Stanford Institute for Materials &Energy Sciences og en Stanford-materialevidenskabsprofessor, offentliggjort disse resultater i dag i Naturmaterialer .

"Før, det var lidt som en sort boks, sagde Martin Bazant, en professor ved Massachusetts Institute of Technology og en anden leder af undersøgelsen. "Man kunne se, at materialet fungerede ret godt, og visse tilsætningsstoffer så ud til at hjælpe, men du kunne ikke fortælle præcis, hvor lithium-ionerne går hen i hvert trin af processen. Man kunne kun prøve at udvikle en teori og arbejde baglæns fra målinger. Med nye instrumenter og måleteknikker, vi begynder at få en mere stringent videnskabelig forståelse af, hvordan disse ting rent faktisk fungerer."

"Popcorn-effekten"

Enhver, der har kørt i en elbus, arbejdet med et elværktøj eller brugt en ledningsfri støvsuger har sandsynligvis høstet fordelene af det batterimateriale, de studerede, lithiumjernfosfat. Den kan også bruges til start-stop-funktionen i biler med forbrændingsmotorer og lager til vind- og solenergi i elnet. Bedre forståelse af dette materiale og lignende kan føre til hurtigere opladning, længerevarende og mere holdbare batterier. Men indtil for nylig, forskere kunne kun gætte på de mekanismer, der gør det muligt for det at virke.

Når lithium-ion-batterier oplades og aflades, lithiumionerne strømmer fra en flydende opløsning ind i et fast reservoir. Men en gang i det faste, lithium kan omarrangere sig selv, nogle gange får materialet til at opdeles i to adskilte faser, meget som olie og vand adskilles, når de blandes sammen. Dette forårsager, hvad Chueh omtaler som en "popcorn-effekt." Ionerne klumper sig sammen til hot spots, der ender med at forkorte batteriets levetid.

I dette studie, forskere brugte to røntgenteknikker til at udforske den indre funktion af lithium-ion-batterier. Hos SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) afviste de røntgenstråler fra en prøve af lithiumjernfosfat for at afsløre dens atomare og elektroniske struktur, give dem en fornemmelse af, hvordan lithium-ionerne bevægede sig rundt i materialet. Hos Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), de brugte røntgenmikroskopi til at forstørre processen, giver dem mulighed for at kortlægge, hvordan koncentrationen af ​​lithium ændrer sig over tid.

Svømning opstrøms

Tidligere, forskere troede, at lithiumjernfosfat var en endimensionel leder, hvilket betyder, at lithiumioner kun er i stand til at bevæge sig i én retning gennem hovedparten af ​​materialet, som laks, der svømmer opstrøms.

Men mens de gennemsøgte deres data, forskerne bemærkede, at lithium bevægede sig i en helt anden retning på overfladen af ​​materialet, end man ville forvente baseret på tidligere modeller. Det var, som om nogen havde smidt et blad op på vandløbets overflade og opdaget, at vandet strømmede i en helt anden retning end den svømmende laks.

De arbejdede med Saiful Islam, en kemiprofessor ved University of Bath, Storbritannien, at udvikle computermodeller og simuleringer af systemet. Disse afslørede, at lithiumioner bevægede sig i yderligere to retninger på overfladen af ​​materialet, gør lithiumjernfosfat til en tredimensionel leder.

"Det viser sig, disse ekstra veje er problematiske for materialet, at fremme den popcorn-lignende adfærd, der fører til dens fiasko, " sagde Chueh. "Hvis lithium kan fås til at bevæge sig langsommere på overfladen, det vil gøre batteriet meget mere ensartet. Dette er nøglen til at udvikle højere ydeevne og længerevarende batterier."

En ny grænse inden for batteriteknik

Selvom lithiumjernfosfat har eksisteret i de sidste to årtier, evnen til at studere det på nanoskala og under batteridrift var først muligt for et par år siden.

"Dette forklarer, hvordan en så afgørende egenskab ved materialet er gået ubemærket hen i så lang tid, " sagde Yiyang Li, der ledede det eksperimentelle arbejde som kandidatstuderende og postdoc ved Stanford og SLAC. "Med nye teknologier, der er altid nye og interessante egenskaber at opdage ved materialer, der får dig til at tænke lidt anderledes om dem."

Dette arbejde er et af de første papirer, der kommer ud af et samarbejde mellem Bazant, Chueh og flere andre videnskabsmænd som en del af et Toyota Research Institute-finansieret forskningscenter, der bruger teori og maskinlæring til at designe og fortolke avancerede eksperimenter.

Disse seneste fund, Bazant sagde, skabe en mere kompleks historie, som teoretikere og ingeniører bliver nødt til at overveje i deres fremtidige arbejde.

"Det bygger yderligere argumentet om, at konstruktion af overfladerne af lithium-ion-batterier virkelig er den nye grænse, " sagde han. "Vi har allerede opdaget og udviklet nogle af de bedste bulkmaterialer. Og vi har set, at lithium-ion-batterier stadig udvikler sig i et ret bemærkelsesværdigt tempo:De bliver ved med at blive bedre og bedre. Denne forskning muliggør en konstant udvikling af en afprøvet teknologi, der rent faktisk virker. Vi bygger på en vigtig smule viden, som kan føjes til batteriingeniørernes værktøjskasse, når de forsøger at udvikle bedre materialer."

Spænder forskellige skalaer

For at følge op på denne undersøgelse, forskerne vil fortsætte med at kombinere modellering, simulering og eksperimenter for at forsøge at forstå grundlæggende spørgsmål om batteriydelse i mange forskellige længde- og tidsskalaer med faciliteter såsom SLAC's Linac Coherent Light Source, eller LCLS, hvor forskere vil være i stand til at sondere enkelte ioniske humle, der sker på tidsskalaer så hurtigt som en trilliontedel af et sekund.

"En af vejspærringerne for at udvikle lithium-ion batteriteknologier er den enorme længde og tidsskala, der er involveret, " sagde Chueh. "Nøgleprocesser kan ske på et splitsekund eller over mange år. Vejen frem kræver kortlægning af disse processer i længder, der går fra meter og helt ned til atomernes bevægelse. Hos SLAC, vi studerer batterimaterialer på alle disse skalaer. At kombinere det med modellering og eksperimenter er virkelig det, der gjorde denne forståelse mulig."