Undersøgelse afslører ukendte detaljer om almindelige lithium-ion batterimaterialer

Højtydende elektroder til lithium-ion-batterier kan forbedres ved at være mere opmærksom på deres defekter – og udnytte dem, ifølge Rice University-forskere.

Rismaterialeforsker Ming Tang og kemikere Song Jin ved University of Wisconsin-Madison og Linsen Li i Wisconsin og Massachusetts Institute of Technology ledede en undersøgelse, der kombinerede state-of-the-art, in situ røntgenspektroskopi og modellering for at få indsigt i lithiumtransport i batterikatoder. De fandt ud af, at et almindeligt katodemateriale til lithium-ion-batterier, olivin lithium jernfosfat, frigiver eller optager lithium-ioner gennem et meget større overfladeareal end tidligere antaget.

"Vi ved, at dette materiale fungerer meget godt, men der er stadig meget debat om hvorfor, " sagde Tang. "I mange aspekter, dette materiale skulle ikke være så godt, men på en eller anden måde overgår det folks forventninger."

En del af årsagen, Tang sagde, kommer fra punktdefekter - atomer, der er forlagt i krystalgitteret - kendt som antisite-defekter. Sådanne defekter er umulige at eliminere fuldstændigt i fremstillingsprocessen. Det viser sig, han sagde, de får virkelige elektrodematerialer til at opføre sig meget anderledes end perfekte krystaller.

Det og andre åbenbaringer i en Naturkommunikation papir kan potentielt hjælpe producenter med at udvikle bedre lithium-ion-batterier, der driver elektroniske enheder verden over.

Hovedforfatterne af undersøgelsen - Liang Hong fra Rice og Li fra Wisconsin og MIT - og deres kolleger samarbejdede med Department of Energy-forskere ved Brookhaven National Laboratory for at bruge dets kraftfulde synkrotronlyskilder og observere i realtid, hvad der sker inde i batterimaterialet, når det bliver opkrævet. De brugte også computersimuleringer til at forklare deres observationer.

En åbenbaring, Tang sagde, var, at mikroskopiske defekter i elektroder er en funktion, ikke en fejl.

"Folk tror normalt, at defekter er en dårlig ting for batterimaterialer, at de ødelægger egenskaber og ydeevne, " sagde han. "Med den stigende mængde af beviser, vi indså, at det faktisk kan være en god ting at have en passende mængde punktdefekter."

Inde i en fejlfri, perfekt krystalgitter af en lithiumjernphosphatkatode, lithium kan kun bevæge sig i én retning, sagde Tang. På grund af dette, det antages, at lithium-interkalationsreaktionen kun kan ske over en brøkdel af partiklens overfladeareal.

Men holdet gjorde en overraskende opdagelse, da de analyserede Lis røntgenspektroskopiske billeder:Overfladereaktionen finder sted på den store side af hans uperfekte, syntetiserede mikrostænger, som imødegår teoretiske forudsigelser om, at siderne ville være inaktive, fordi de er parallelle med den opfattede bevægelse af lithium.

Forskerne forklarede, at partikelfejl fundamentalt ændrer elektrodens lithiumtransportegenskaber og gør det muligt for lithium at hoppe inde i katoden i mere end én retning. Det øger det reaktive overfladeareal og muliggør en mere effektiv udveksling af lithiumioner mellem katoden og elektrolytten.

Fordi katoden i denne undersøgelse blev lavet ved en typisk syntesemetode, Tang sagde, fundet er yderst relevant for praktiske anvendelser.

"Det, vi lærte, ændrer tankegangen om, hvordan formen af ​​lithiumjernphosphatpartikler skal optimeres, " sagde han. "Forudsat en-dimensionel lithiumbevægelse, folk har en tendens til at tro, at den ideelle partikelform bør være en tynd plade, fordi den reducerer den afstand, lithium skal rejse i den retning, og maksimerer det reaktive overfladeareal på samme tid. Men som vi nu ved, at lithium kan bevæge sig i flere retninger, takket være defekter, designkriterierne for at maksimere ydeevnen vil helt sikkert se helt anderledes ud."

Den anden overraskende observation, Tang sagde, har at gøre med bevægelsen af ​​fasegrænser i katoden, når den oplades og aflades.

"Når du tager varmen ud af vandet, det bliver til is, " sagde han. "Og når du tager lithium ud af disse partikler, det danner en anden lithium-fattig fase, som is, der sameksisterer med den indledende lithiumrige fase." Faserne er adskilt af en grænseflade, eller en fasegrænse. Hvor hurtigt lithium kan udvindes afhænger af, hvor hurtigt fasegrænsen bevæger sig over en partikel, han sagde.

I modsætning til bulkmaterialer, Tang forklarede, det er blevet forudsagt, at fasegrænsebevægelse i små batteripartikler kan begrænses af overfladereaktionshastigheden. Forskerne var i stand til at give det første konkrete bevis for denne overfladereaktionskontrollerede mekanisme, men med et twist.

"Vi ser fasegrænsen bevæge sig i to forskellige retninger gennem to forskellige mekanismer, enten styret af overfladereaktion eller lithium bulk diffusion, " sagde han. "Denne hybridmekanisme tegner et mere kompliceret billede af, hvordan fasetransformation sker i batterimaterialer. Fordi det kan foregå i en stor gruppe af elektrodematerialer, denne opdagelse er grundlæggende for at forstå batteriets ydeevne og fremhæver vigtigheden af ​​at forbedre overfladereaktionshastigheden."