Gennem tykt og tyndt:Neutroner sporer lithium-ioner i batterielektroder

Lithium-ion-batterier forventes at have en global markedsværdi på 47 milliarder dollars i 2023. De bruges i adskillige applikationer, bl.a. fordi de tilbyder relativt høj energitæthed (lagringskapacitet), høj driftsspænding, lang holdbarhed og lille "hukommelseseffekt" - en reduktion af et genopladeligt batteris maksimale kapacitet på grund af ufuldstændige afladninger ved tidligere brug. Imidlertid, faktorer som sikkerhed, opladnings-afladningscyklus og forventet levetid begrænser fortsat effektiviteten af ​​lithium-ion-batterier i tunge applikationer, til at drive elbiler.

Forskere fra University of Virginia School of Engineering anvender neutron-billeddannelsesteknikker ved Oak Ridge National Laboratory til at undersøge lithium-ion-batterier og få indsigt i de elektrokemiske egenskaber af batteriernes materialer og strukturer. Deres forskning, offentliggjort i Journal of Power Sources , fokuseret på at spore lithiation og delithiation - eller opladning og afladning - processer i lithium-ion batterielektroder ved hjælp af tynde og tykke sintrede prøver af to elektroaktive materialer, lithiumtitanat og lithiumkoboltoxid.

Det er vigtigt at forstå, hvordan lithium bevæger sig i batterielektroder, når man skal designe batterier, der kan oplades og aflades hurtigere. I nogle batterier er dette den langsomste proces, hvilket betyder, at en forbedring af lithiumbevægelsen gennem elektroderne kan resultere i batterier, der kan genoplades meget hurtigere.

"Når elektroderne er relativt tykke, transport af lithiumioner gennem det porøse materiale og separatorarkitektur kan begrænse ladnings- og udledningshastigheder, " sagde Gary Koenig, en lektor i kemiteknik ved UVA Engineering. "At udvikle metoder til at forbedre lithium-ion-transport gennem en elektrodes porøse tomme områder fyldt med elektrolyt, vi skal først være i stand til at spore transporten og fordelingen af ​​ionerne i en celle under opladnings- og afladningsprocesserne."

Ifølge Koenig, andre teknikker såsom røntgendiffraktion med høj opløsning kan give detaljerede strukturelle data under elektrokemiske processer, men denne metode har typisk et gennemsnit af relativt store volumener af materialet. Tilsvarende Røntgenfasebilleddannelse kan visualisere saltkoncentrationer i batterielektrolytter, men teknikken kræver en speciel spektrokemisk celle og kan kun få adgang til sammensætningsinformation mellem elektrodeområderne.

For at få detaljerede oplysninger på tværs af et bredere område, forskerne udførte deres undersøgelser ved hjælp af neutroner ved den kolde neutronbilledstrålelinje ved Oak Ridge's High Flux Isotope Reactor.

"Lithium har en stor absorptionskoefficient for neutroner, hvilket betyder, at neutroner, der passerer gennem et materiale, er meget følsomme over for dets lithiumkoncentrationer, " sagde Ziyang Nie, hovedforfatter og kandidatstuderende i Koenigs gruppe. "Vi demonstrerede, at vi kunne bruge neutronrøntgenbilleder til at spore in situ lithiation i tynde og tykke metaloxidkatoder inde i battericeller. Fordi neutroner er stærkt gennemtrængende, vi behøvede ikke at bygge tilpassede celler til analysen og var i stand til at spore lithium på tværs af hele den aktive region, der indeholdt både elektroder og elektrolyt."

Sammenligning af lithiationsprocessen i tynde og tykke elektroder er afgørende for at hjælpe med forståelsen af ​​virkningerne af heterogenitet - lokale variationer i mekaniske, strukturel, transport og kinetiske egenskaber - på batterilevetid og ydeevne. Lokal heterogenitet kan også resultere i uensartet batteristrøm, temperaturer, ladetilstand og aldring. Typisk, når tykkelsen af ​​en elektrode øges, det samme gør de skadelige virkninger af heterogenitet på batteriets ydeevne. Endnu, hvis tykkere anoder og katoder kunne bruges i batterier uden at påvirke andre faktorer, det ville hjælpe med at øge energilagringskapaciteten.

Til de indledende eksperimenter, de tynde elektrodeprøver havde tykkelser på 0,738 mm for lithiumtitanat og 0,463 mm for lithiumcoboltoxid, mens prøverne af tyk lithiumtitanat og lithiumkoboltoxid var 0,886 mm og 0,640 mm, henholdsvis.

"Vores umiddelbare mål er at udvikle en model, der hjælper os med at forstå, hvordan man ændrer strukturen af ​​en elektrode, såsom at ændre, hvordan materialet er orienteret eller distribueret, kunne forbedre iontransportegenskaber, " sagde Koenig. "Ved at afbilde hver prøve på forskellige tidspunkter, vi var i stand til at skabe 2-D kort over lithium distribution. I fremtiden, vi planlægger at rotere vores prøver inden for neutronstrålen for at give 3D-information, der vil afsløre mere detaljeret, hvordan heterogenitet påvirker iontransport."