Batteriets skjulte lag afsløret

Kommercielt tilgængelig siden 1970'erne, lithium-ion batteriet er nu arbejdshestens strømkilde i mange applikationer. Det kan findes i mobiltelefoner, bærbare computere og elbiler. Endnu, meget om den grundlæggende videnskab, der finder sted på atom- og molekylært niveau under ladning og udladning, forbliver et mysterium.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Naturkatalyse , et team ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory rapporterer om et gennembrud i forståelsen af ​​kemien i det mikroskopisk tynde lag, der dannes ved grænsefladen mellem den flydende elektrolyt og den faste elektrode. Batteriforskere omtaler normalt dette lag som "fast-elektrolytinterfasen" eller SEI.

Meget videnskabeligt arbejde i løbet af de sidste mange årtier har været afsat til at forstå SEI i lithium-ion-batteriet. Forskere ved, at SEI dannes på den grafit negative elektrode, er ekstremt tynd (mindre end en tusindedel af en millimeter), og tager primært form under den første opladning af batteriet. Det er også veletableret, at SEI forhindrer, at der opstår skadelige reaktioner ved grænsefladen, samtidig med at de vigtige litiumioner tillader frie tøjler at bevæge sig mellem elektrolytten og elektroden.

Alle gode lithium-ion-batterier har velfungerende SEI'er. Som Dusan Strmcnik-medforstander og kemiassistent i divisionen Materials Science (MSD)-noterede, "Batteriets ydeevne er stærkt afhængig af SEI -kvaliteten. Hvis kemien og rollen for de enkelte komponenter i SEI forstås, SEI'en kunne indstilles for at forbedre batteriets ydeevne. "

"Vigtigere, en sådan forståelse ville forbedre vores forudsigelsesevne for batteriets levetid betydeligt, som er af ekstrem høj værdi for en elbilproducent, "Tilføjede Strmcnik.

Det internationale forskerteam, som omfatter samarbejdspartnere fra Københavns Universitet, Technische Universität München i Tyskland og BMW Group, dechiffreret kemien bag en af ​​de mere almindelige komponenter i SEI i typiske lithium-ion-batterier, lithiumfluorid. Baseret på både eksperimentelle og beregningsmæssige resultater, deres fund viste, at denne fase dannes under batteriopladning ved den elektrokemiske reaktion af hydrogenfluorid, producerer hydrogengas og fast lithiumfluorid.

Denne reaktion afhænger meget af elektrodematerialet, som kunne være et metal, grafen eller grafitisk materiale, og demonstrerer således betydningen af ​​katalyse i batteridrift. Teamet opdagede en ny metode til overvågning af koncentrationen af ​​brintfluorid, en meget skadelig urenhed, der dannes ved en reaktion mellem spormængder af fugt og saltet (LiPF6) i elektrolytten. Denne overvågningsevne bør vise sig at være afgørende for fremtidige grundlæggende videnskabelige undersøgelser af SEI.

Til Argonne Distinguished Fellow og medforstander Nenad Markovic, undersøgelsens resultater har allerede en kommerciel indvirkning. "Vores resultater er allerede ved at blive implementeret i lithium-ion-celler på BMW Cellers battericellekompetencecenter. De vil også åbne nye muligheder for forbedring af eksisterende, og designet af nye, lithium-ion teknologier. "

Det Naturkatalyse artiklen har titlen "Elektrokatalytisk transformation af HF-urenhed til H2 og LiF i litiumionbatterier."