Forskere bruger røntgenstråler til at forstå fejlene ved batterihurtig opladning

Mens gastanke kan fyldes på få minutter, opladning af batteriet i en elbil tager meget længere tid. For at udjævne vilkårene og gøre elbiler mere attraktive, forskere arbejder på hurtigopladningsteknologier.

Hurtig opladning er meget vigtig for elbiler, " sagde batteriforsker Daniel Abraham fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory. ?"Vi vil gerne være i stand til at oplade et elektrisk køretøjs batteri på under 15 minutter, og endnu hurtigere, hvis det er muligt."

"Ved at se præcis, hvordan lithium er fordelt i elektroden, vi får evnen til præcist at bestemme den inhomogene måde, hvorpå et batteri ældes." - Daniel Abraham, Argonne batteri videnskabsmand

Hovedproblemet med hurtig opladning sker under transporten af ​​lithiumioner fra den positive katode til den negative anode. Hvis batteriet oplades langsomt, de lithium-ioner, der udvindes fra katoden, spalter sig gradvist mellem de carbonatomplaner, der udgør grafitanoden - en proces kendt som lithium-interkalation.

Men når denne proces fremskyndes, lithium kan ende med at aflejre sig på overfladen af ​​grafitten som metal, som kaldes lithiumbelægning. "Når dette sker, batteriets ydeevne lider dramatisk, fordi det belagte lithium ikke kan flyttes fra den ene elektrode til den anden, " sagde Abraham.

Ifølge Abraham, dette lithiummetal vil kemisk reducere batteriets elektrolyt, forårsager dannelsen af ​​en fast-elektrolyt-interfase, der binder lithium-ioner, så de ikke kan flyttes mellem elektroderne. Som resultat, der kan lagres mindre energi i batteriet over tid.

For at studere bevægelsen af ​​lithium-ioner i batteriet, Abraham samarbejdede med postdoc-forsker Koffi Pierre Yao og Argonne røntgenfysiker John Okasinski ved laboratoriets Advanced Photon Source, en DOE Office of Science-brugerfacilitet. der, Okasinski skabte i det væsentlige et 2D-billede af batteriet ved at bruge røntgenstråler til at afbilde hver fase af lithieret grafit i anoden.

Ved at få dette syn, forskerne var i stand til præcist at kvantificere mængden af ​​lithium i forskellige områder af anoden under opladning og afladning af batteriet.

I undersøgelsen, forskerne konstaterede, at lithium akkumuleres i områder tættere på batteriets separator under hurtigopladningsforhold.

"Du kan forvente det bare af sund fornuft, "Abraham forklarede. ?"Men ved at se præcis, hvordan lithium er fordelt inde i elektroden, vi får evnen til præcist at bestemme den inhomogene måde, hvorpå et batteri ældes."

For selektivt at se en bestemt region i hjertet af batteriet, forskerne brugte en teknik kaldet energidispersiv røntgendiffraktion. I stedet for at variere strålevinklen for at nå bestemte områder af interesse, forskerne varierede bølgelængden af ​​det indfaldende lys.

Ved at bruge røntgenstråler, Argonnes videnskabsmænd var i stand til at bestemme krystalstrukturerne i grafitlagene. Fordi grafit er et krystallinsk materiale, indsættelsen af ​​lithium får grafitgitteret til at udvide sig i varierende grad. Denne hævelse af lagene er mærkbar som en forskel i diffraktionstoppene, Okasinski sagde, og intensiteterne af disse toppe giver lithiumindholdet i grafitten.

Mens denne forskning fokuserer på små møntcellebatterier, Okasinski sagde, at fremtidige undersøgelser kunne undersøge lithiationsadfærden i større posecellebatterier, som dem, der findes i smartphones og elbiler.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Kvantificering af lithiumkoncentrationsgradienter i grafitelektroden af ​​lithium-ionceller ved hjælp af operando energi dispersiv røntgendiffraktion, " optrådte i onlineudgaven den 9. januar af Energi- og miljøvidenskab .