Lithium-ion-batterier:Én størrelse passer ikke til alle i applikationen eller i vurderingen

At se er at tro - eller rettere sagt, at se kan hjælpe med at forstå, især når det kommer til mekanismerne bag lithium-ion-batterier. På trods af næsten allestedsnærværende brug i mobiltelefoner, computere og mere, forbliver de komplekse elektrokemiske miljøer af lithium-ion-batterier uklare.

For bedre at forstå og forbedre batteriets ydeevne undersøgte forskere den nuværende videnskabelige litteratur og brugte elektronmikroskopi til at se nærmere på ladningsoverførsels- og lithium-ion-migreringsmekanismerne, der producerer strøm. Denne undersøgelse blev offentliggjort i Nano Research Energy .

"Kommercielle lithium-ion-batterier bruges i vid udstrækning som energilagringsenheder, herunder elektriske køretøjer, bærbar elektronik og netenergilagring," siger Yi Ding, professor ved Tianjin University of Technology. "Energi, strøm, opladnings-afladningshastighed, omkostninger, cykluslevetid, sikkerhed og miljøpåvirkning skal tages i betragtning, når lithium-ion-batterier anvendes til en passende applikation, men hver specifik applikation står over for en række forskellige udfordringer."

Mængden af ​​lagret energi er vigtig for bærbar elektronik, mens omkostninger og sikkerhed er vigtigere for f.eks. elektriske køretøjer. Omkostninger og sikkerhed er også vigtige for energinettets behov, men energitætheden bliver mindre end for elektriske køretøjer. Afvejningen mellem disse elementer skifter baseret på behov, men evnen til at justere ydeevnen er begrænset af ufuldstændig forståelse af de materialer, der bruges i batterier.

"De aktive elektrodematerialer er hoveddelen, der er ansvarlig for cellekemien og ydeevnen og påvirker i sidste ende kommercialiseringen af ​​det konstruerede batteri," sagde Ding.

"Ydeevnen, såsom cykluslevetid og energitæthed, af eksisterende kommercielle elektrodematerialesystemer skal stadig forbedres, så det er vigtigt at forstå de iboende fysiske og kemiske egenskaber, såsom strukturel evolution/kinetik under lithium-de-indlejring og effekt af elektrode-elektrolyt-grænseflade på ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier."

Forskerne gennemgik de seneste fremskridt inden for elektronmikroskopi for at se, hvordan traditionelle karakteriseringsteknikker måler sig, når det kommer til at forstå struktur-aktivitetsforholdet mellem kommercielle lithium-ion-batterier.

"Ved at sammenligne med karakteriseringsindholdet opnået ved traditionelle karakteriseringsteknikker, såsom røntgendiffraktion og røntgenfotoelektronspektroskopi, illustrerer vi fordelene og begrænsningerne ved almindelige elektroniske mikroskoper og nyligt udviklede avancerede elektroniske mikroskopiske karakteriseringsteknikker, såsom in situ elektron mikroskopiteknologi i denne kritiske forskning," sagde Ding.

Forskerne undersøgte, hvordan avanceret elektronmikroskopi og de tilhørende karakteriseringsteknikker kan give forskellig indsigt i, hvordan for eksempel lithium-ioner vandrer i batteriet for at producere ladning, eller hvordan ladningsoverførsel kan udløse energiforbrug.

De fokuserede specifikt på overgangsmetalopløsning og ladningsoverførselsmekanisme i opladning-afladningsprocessen af ​​lithium-ion batteri positive elektroder; strukturen og udviklingen af ​​katode-elektrode-grænseflader og fast elektrolyt-interfase under langvarig cykling; og effekten af ​​elektrodestruktur og grænseflade på lithium-ion migration.

Konklusionen er ifølge Ding, at der er brug for næste generation af lithium-ion batteriteknologier med bedre omkostninger og ydelsesfordele.

"Vi foreslår muligheden for at kombinere elektronmikroskopi med andre teknikker for at opnå mere omfattende information," sagde Ding og bemærkede, at elektronmikroskopi har tre fælles begrænsninger i batterivurdering.

Disse omfatter inkonsistente elektrokemiske miljøer mellem elektronmikroskopifelter og faktiske batterier; ustabile tidsvinduer, der kan skævvride data relateret til udviklingen af ​​prøven; og visse batterier kan ikke vurderes kvantitativt på nanoskalaen. "Selv med begrænsninger giver disse diskussioner forskere mulighed for at få en dybere forståelse af, hvordan kommercielle lithium-ion-batterier fungerer i mikroskala og giver vejledning til designstrategier for højtydende praktiske batterier," bemærkede forskerne. + Udforsk yderligere

Reaktive elektrolytadditiver forbedrer lithiummetalbatteriets ydeevne