Hæmmer impedansen:Forskning afslører, hvordan man designer et bedre næste generations lithium-ion-batteri

Den nyeste generation af lithium-ion-batterier, der nu er under udvikling, lover en revolution inden for strømforsyning til mobiltelefoner, elektriske køretøjer, bærbare computere og utallige andre enheder. Med alle solid-state, ikke-brændbare komponenter, er de nye batterier lettere, holder deres opladning længere, genoplades hurtigere og er sikrere at bruge end konventionelle lithium-ion-batterier, som indeholder en gel, der kan brænde.

Men som alle batterier har solid-state lithium-ion-batterier en ulempe:På grund af elektrokemiske interaktioner kan impedans - AC-analogen af ​​DC elektrisk modstand - opbygges i batterierne, hvilket begrænser strømmen af ​​elektrisk strøm. Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har nu udpeget det sted, hvor det meste af denne opbygning finder sted. I den forbindelse har teamet foreslået et simpelt redesign, der dramatisk kan begrænse opbygningen af ​​impedans, hvilket gør det muligt for batterierne at udfylde deres rolle som næste generations strømkilde.

Et lithium-ion batteri består af to arklignende terminaler, anoden (negativ terminal) og katoden (positiv terminal), adskilt af et ionledende medium kaldet elektrolytten. (Elektrolytten er en gel i tilfælde af almindelige lithium-ion-batterier, et fast stof i solid-state-versionen.) Under afladning strømmer lithium-ioner fra anoden gennem elektrolytten til katoden, hvilket tvinger elektroner til at bevæge sig rundt i et eksternt kredsløb og generere den elektriske strøm, der driver enheder.

Impedans opstår typisk ved grænsefladen mellem en af ​​de to elektroder og elektrolytten. Men at finde den nøjagtige placering kræver viden om både fordelingen af ​​lithiumioner og forskellen i spænding ved hver grænseflade.

Tidligere undersøgelser fra andre hold kunne ikke endegyldigt lokalisere problemområdet, fordi det værktøj, de brugte, havde en gennemsnitlig impedans over hele batteriet i stedet for at måle den på individuelle steder i enheden. NIST-teamet, som omfatter samarbejdspartnere fra Sandia National Laboratory i Livermore, Californien, Naval Research Laboratory i Washington, D.C. og flere universiteter, brugte to komplementære metoder til at studere impedans på nanoskalaen i et solid-state lithium-ion batteri.

En metode, Kelvin-sondekraftmikroskopi, bruger den skarpe spids af et atomkraftmikroskop, der svæver over de forskellige lag af et åbent batteri til at afbilde fordelingen af ​​spænding på hver overflade. Sonden afslørede, at det største fald i spændingen i batteriet fandt sted ved elektrolyt/anode-grænsefladen, hvilket indikerer, at dette var et område med høj impedans. (Hvis hele batteriet havde lav impedans, ville det interne spændingsfald variere gradvist og jævnt fra sted til sted inde i cellen.)

Den anden metode, neutrondybdeprofilering, bruger en stråle af lavenergineutroner genereret ved NIST Center for Neutron Research til at undersøge nanoskalafordelingen og koncentrationen af ​​lithium. Fordi neutrondybdeprofilering ikke skader batteriet, var forskerne i stand til at anvende teknikken, mens batteriet kørte.

Når lavenergineutroner fra strålen blev absorberet af lithium i batteriet, producerede de energiske ladede partikler, alfa (4He) og tritium (3H). Antallet af disse ladede partikler, der genereres, og den energi, de tilbageholder efter at have passeret gennem lagene i batteriet, indikerer koncentrationen af ​​lithium-ioner forskellige steder i batteriet.

Målingerne afslørede, at hovedstedet, hvor lithium-ionerne havde hobet sig op, hvilket mindskede strømmen af ​​elektrisk strøm, fandt sted ved grænsen mellem elektrolytten og anoden - det samme sted, hvor Kelvin-sonden kraftmikroskopi havde detekteret det største spændingsfald.

Tilsammen viste resultaterne af Kelvin-probekraftmikroskopi og neutrondybdeprofileringsteknikker utvetydigt, at det meste af impedansen opstår ved elektrolyt/anode-grænsefladen, sagde teammedlem Evgheni Strelcov fra NIST og University of Maryland NanoCenter i College Park.

Strelcov og andre forskere, herunder Jamie Weaver, Joseph Dura, Andrei Kolmakov og Nikolai Zhitenev fra NIST og deres samarbejdspartnere, rapporterede deres resultater online den 19. oktober i tidsskriftet ACS Energy Letters .

"Dette arbejde viser, at neutrondybdeprofilering, kombineret med Kelvin-probekraftmikroskopi og teoretisk modellering, fortsætter med at fremme vores forståelse af lithium-ion-batteriers indre funktion," sagde Weaver.

Ved at analysere deres resultater konkluderede forskerne, at den impedans, de fandt ved grænsefladen, kunne reduceres betydeligt, hvis der blev tilføjet lag af andet materiale mellem anoden og elektrolytten. Tilføjelse af mellemliggende lag, der klæber korrekt til hinanden, ville forhindre elektrolytten og anoden i at interagere direkte med hinanden. Det er en fordel, fordi når en elektrolyt og anoden er i direkte kontakt, danner de nogle gange et tyndt lag materiale, der hindrer transporten af ​​ionerne.

"Vi ønsker at konstruere grænsefladerne, så de har høj ion- og elektronledningsevne," sagde Strelcov.