Hvordan ekstrem kulde kan knække lithium-ion-batterimaterialer og forringe ydeevnen

Lithium-ion-batterier er lidt berømte for deres dårlige præstationer i koldt vejr, og det har konsekvenser for nogle af deres vigtigste applikationer - alt fra at starte en elbil i en vinter i Wisconsin til at flyve en drone på Mars.

Nu har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory identificeret et overset aspekt af problemet:Opbevaring af lithium-ion-batterier ved temperaturer under frysepunktet kan knække nogle dele af batteriet og adskille dem fra omgivende materialer, hvilket reducerer deres elektriske lagerkapacitet. .

SLAC-forskeren Yijin Liu og postdoc Jizhou Li gjorde opdagelsen, mens de så på katodens ydeevne i koldt vejr, den del af batterielektronerne strømmer ind i, når den er i brug. Indledende undersøgelser viste, at opbevaring af katoder ved temperaturer under nul grader celsius førte til, at batterier mistede op til 5 % mere af deres kapacitet efter 100 opladninger end batterier, der blev opbevaret ved varmere temperaturer.

For at forstå hvorfor, vendte forskerne sig til en kombination af røntgenanalysemetoder ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource og maskinlæringsteknikker, som Li har arbejdet på i de sidste mange år. Kombinationen giver dem mulighed for at identificere individuelle katodepartikler - hvilket betyder, at holdet kunne studere tusindvis af partikler på én gang sammenlignet med kun den håndfuld, de kunne identificere med deres øjne alene.

Tilsammen afslørede disse metoder, at kolde temperaturer krympede de frikadellelignende partikler i katoden og i processen knækkede dem - eller gjorde eksisterende revner endnu værre, sagde Liu. Og da materialer adskiller sig i den måde, de udvider sig og trækker sig sammen som reaktion på skiftende temperaturer, var ekstrem kulde også ved at løsne katoderne fra de omgivende materialer.

Resultaterne peger på nogle mulige rettelser, sagde Liu. Ved at lede efter batterimaterialer, der er bedre afstemt med hensyn til deres temperaturrespons, kunne videnskabsmænd løse problemet med løsrivelse. Hvis du gør det, kan det også hjælpe med at forbedre andre batterier, da alle batterier udvider sig og trækker sig sammen, når de varmes op og afkøles. Og ved at konstruere forskellige partikelstrukturer inde i et batteri - især ved at bygge dem op fra glattere, mindre frikadellelignende partikler - kunne forskere hjælpe med at forhindre revner og forbedre langsigtet lithium-ion-batterikapacitet.