Ikke så hurtigt:Nogle batterier kan skubbes for langt

Forsætlige defekter i batterier har givet forskere fra Rice University et indblik i farerne ved at skubbe lithiumionceller for langt.

Nye simuleringer af rismaterialeforsker Ming Tang og kandidatstuderende Kaiqi Yang, detaljeret i Journal of Materials Chemistry A , viser for meget stress i meget brugte lithiumjernfosfatkatoder kan åbne revner og hurtigt nedbryde batterier.

Arbejdet udvider nyere Rice-forskning, der viste, hvordan anbringelse af defekter i partikler, der udgør katoden, kunne forbedre batteriets ydeevne med op til to størrelsesordener ved at hjælpe lithium med at bevæge sig mere effektivt.

Men laboratoriets efterfølgende modelleringsundersøgelse afslørede en advarsel. Under trykket af hurtig opladning og afladning, defektbelastede katoder risikerer brud.

"Det konventionelle billede er, at lithium bevæger sig ensartet ind i katoden, med en litiumrig region, der udvider sig glat ind i katodens centrum, " sagde Tang, en assisterende professor i materialevidenskab og nanoteknik ved Rice's Brown School of Engineering.

Men røntgenbilleder taget på et andet laboratorium viste noget andet. "De så en fingerlignende grænse mellem de lithiumrige og litiumfattige områder, næsten som når du sprøjter vand ind i olie, "sagde han." Vores spørgsmål var, hvad skyldes dette? "

Roden til problemet ser ud til at være, at stress destabiliserer den oprindeligt flade grænse og får den til at blive bølget, Sagde Tang. Ændringen i grænseformen øger spændingsniveauet yderligere og udløser revnedannelse. Undersøgelsen af ​​Tangs gruppe viser, at en sådan ustabilitet kan øges af en almindelig type defekt i batteriforbindelser kaldet antisitter, hvor jernatomer indtager pletter i krystallen, hvor lithiumatomer skal være.

"Antisitter kan være en god ting, som vi viste i det sidste papir, fordi de accelererer lithium interkalationskinetikken, "Tang sagde, "Men her viser vi en modvirkning:For mange antisitter i partiklerne tilskynder den bevægelige grænseflade til at blive ustabil og derfor generere mere stress."

Tang mener, at der er et søde sted for antallet af antisitter i en katode:nok til at forbedre ydeevnen, men for få til at fremme ustabilitet. "Du ønsker at have et passende niveau af defekter, og det vil kræve en del forsøg og fejl at finde ud af, hvordan man når den rigtige mængde ved at udgløde partiklerne, "sagde han." Vi tror, ​​at vores nye forudsigelser kan være nyttige for eksperimentelle. "