Forskere viser punktdefekter i katodekrystaller kan fremskynde lithiumabsorption

Her er et tilfælde, hvor omveje fremskynder trafikken. Resultatet kan være bedre batterier til transport, elektronik og solenergilagring.

Forskere ved Rice University's Brown School of Engineering har opdaget, at placering af specifikke defekter i det krystallinske gitter af lithiumjernfosfatbaserede katoder udvider de veje, hvorigennem lithiumioner rejser. Deres teoretiske beregninger kunne forbedre ydeevnen op til to størrelsesordener og pege på lignende forbedringer i andre typer batterier.

Disse defekter, kendt som antisider, dannes, når atomer er placeret i de forkerte positioner på gitteret - dvs. når jernatomer sidder på de steder, der burde være optaget af lithium. Antisite-defekter hæmmer lithium-bevægelsen inde i krystalgitteret og anses normalt for at være skadelig for batteriets ydeevne.

I tilfælde af lithiumjernfosfat, imidlertid, Rice-forskerne opdagede, at de skaber mange omveje i katoden og gør det muligt for lithium-ioner at nå reaktionsfronten over en bredere overflade, hvilket hjælper med at forbedre batteriernes opladnings- eller afladningshastighed.

Forskningen vises i tidsskriftet Nature Beregningsmaterialer .

Lithiumjernfosfat er et meget brugt katodemateriale til lithium-ion-batterier og fungerer også som et godt modelsystem til at studere den fysik, der ligger til grund for battericyklingsprocessen, sagde rismaterialeforsker Ming Tang, der udførte forskningen med alumnus Liang Hong, nu forsker ved MathWorks, og kandidatstuderende Kaiqi Yang.

Ved indføring af lithium, katoden skifter fra en lithiumfattig fase til en lithiumrig, sagde Tang, en adjunkt i materialevidenskab og nanoteknik. Når overfladereaktionskinetikken er træg, lithium kan kun indsættes i lithiumjernfosfat inden for et smalt overfladeområde omkring fasegrænsen - "vejen" - et fænomen, der begrænser den hastighed, hvormed batteriet kan genoplades.

"Hvis der ikke er fejl, lithium kan kun trænge ind i dette lille område lige omkring fasegrænsen, " sagde han. "Men antisite-defekter kan få lithium-indføring til at finde sted mere ensartet over overfladen, og så ville grænsen bevæge sig hurtigere, og batteriet ville oplades hurtigere.

"Hvis du tvinger den fejlfri katode til at blive opladet hurtigt ved at påføre en høj spænding, der vil være en meget høj lokal lithiumflux ved overfladen, og dette kan forårsage skade på katoden, " sagde han. "Dette problem kan løses ved at bruge defekter til at sprede fluxen over hele katodeoverfladen."

Udglødning af materialet - opvarmning uden at brænde det - kunne bruges til at kontrollere koncentrationen af ​​defekter. Tang sagde, at defekter også ville tillade, at større katodepartikler end krystaller i nanoskala bruges til at hjælpe med at forbedre energitætheden og reducere overfladenedbrydning.

"En interessant forudsigelse af modellen er, at denne optimale defektkonfiguration afhænger af partiklernes form, " han sagde, "Vi så, at facetter af en bestemt orientering kunne gøre omvejene mere effektive til at transportere lithium-ioner. Derfor, du vil gerne have flere af disse facetter eksponeret på katodeoverfladen."

Tang sagde, at modellen kunne anvendes som en generel strategi til at forbedre faseskiftende batteriforbindelser.

"For strukturelle materialer som stål og keramik, folk leger med defekter hele tiden for at gøre materialer stærkere, " sagde han. "Men vi har ikke talt meget om at bruge defekter til at lave bedre batterimaterialer. Som regel, folk ser defekter som irritationsmomenter, der skal elimineres.

"Men vi tror, ​​vi kan forvandle defekter til venner, ikke fjender, for bedre energilagring."