Forskere lærer mere om de første timer af et lithium-ion-batteris levetid

De første timer af et lithium-ion-batteris levetid bestemmer i høj grad, hvor godt det vil yde. I de øjeblikke, et sæt molekyler samler sig selv til en struktur inde i batteriet, som vil påvirke batteriet i de kommende år.

Denne komponent, kendt som fast-elektrolyt interfase eller SEI, har den afgørende opgave at blokere nogle partikler og samtidig tillade andre at passere, som en værtshusudsmider, der afviser uønskede ting, mens den tillader glitterati. Strukturen har været en gåde for videnskabsmænd, der har studeret den i årtier. Forskere har udnyttet flere teknikker for at lære mere, men aldrig - indtil nu - havde de været vidne til dets skabelse på et molekylært niveau.

At vide mere om SEI er et afgørende skridt på vejen mod at skabe mere energisk, længerevarende og sikrere lithium-ion-batterier.

Værket udgivet 27. januar i Natur nanoteknologi blev udført af et internationalt hold af forskere ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums Pacific Northwest National Laboratory og U.S. Army Research Laboratory. Tilsvarende forfattere inkluderer Zihua Zhu, Chongmin Wang og Zhijie Xu fra PNNL og Kang Xu fra U.S. Army Research Laboratory.

Hvorfor lithium-ion-batterier overhovedet virker:SEI

Den faste elektrolyt-interfase er en meget tynd film af materiale, der ikke eksisterer, når et batteri først bygges. Først når batteriet oplades for allerførste gang, aggregeres molekyler og reagerer elektrokemisk for at danne strukturen, som fungerer som en gateway, der tillader lithium-ioner at passere frem og tilbage mellem anoden og katoden. Afgørende, SEI tvinger elektroner til at tage en omvej, som holder batteriet i gang og muliggør energilagring.

Det er på grund af SEI, at vi overhovedet har lithium-ion-batterier til at drive vores mobiltelefoner, bærbare computere og elbiler.

Men forskerne har brug for at vide mere om denne gateway-struktur. Hvilke faktorer adskiller glitterati fra riffraff i et lithium-ion batteri? Hvilke kemikalier skal inkluderes i elektrolytten, og i hvilke koncentrationer, for at molekylerne kan danne sig selv til de mest nyttige SEI-strukturer, så de ikke konstant opsuger molekyler fra elektrolytten, skader batteriets ydeevne?

Forskere arbejder med en række forskellige ingredienser, forudsige, hvordan de vil kombineres for at skabe den bedste struktur. Men uden mere viden om, hvordan fast-elektrolyt-interfasen skabes, videnskabsmænd er som kokke, der jonglerer med ingredienser, arbejder med kogebøger, der kun er delvist skrevet.

Udforsker lithium-ion-batterier med ny teknologi

For at hjælpe forskere bedre med at forstå SEI mere, holdet brugte PNNL's patenterede teknologi til at analysere strukturen, som den blev skabt. Forskere brugte en energisk ionstråle til at tunnelere ind i en netop-dannende SEI i et driftsbatteri, sende noget af materialet i luften og indfange det til analyse, mens man stoler på overfladespændingen for at hjælpe med at indeholde den flydende elektrolyt. Derefter analyserede holdet SEI-komponenterne ved hjælp af et massespektrometer.

Den patenterede tilgang, kendt som in situ flydende sekundær ion massespektrometri eller flydende SIMS, gjorde det muligt for holdet at få et hidtil uset kig på SEI'en, som den blev dannet, og omgå problemer præsenteret af et fungerende lithium-ion-batteri. Teknologien blev skabt af et team ledet af Zhu, bygger på tidligere SIMS-arbejde af PNNL-kollega Xiao-Ying Yu.

"Vores teknologi giver os en solid videnskabelig forståelse af den molekylære aktivitet i denne komplekse struktur, " sagde Zhu. "Resultaterne kunne potentielt hjælpe andre med at skræddersy kemien i elektrolytten og elektroderne for at lave bedre batterier."

U.S. Army og PNNL forskere samarbejder

PNNL-holdet er forbundet med Kang Xu, en forsker ved U.S. Army Research Laboratory og en ekspert i elektrolyt og SEI, og sammen tog de fat på spørgsmålet.

Forskerne bekræftede, hvad forskerne har mistænkt - at SEI er sammensat af to lag. Men holdet gik meget længere, at specificere den præcise kemiske sammensætning af hvert lag og bestemme de kemiske trin, der forekommer i et batteri for at skabe strukturen.

Holdet fandt ud af, at et lag af strukturen, ved siden af ​​anoden, er tynd, men tæt; dette er det lag, der frastøder elektroner, men tillader lithium-ioner at passere igennem. Det ydre lag, lige ved siden af ​​elektrolytten, er tykkere og medierer interaktioner mellem væsken og resten af ​​SEI. Det indre lag er lidt hårdere og det ydre senere er mere flydende, lidt ligesom forskellen mellem underkogte og overkogte havregryn.

Lithiumfluorids rolle

Et resultat af undersøgelsen er en bedre forståelse af lithiumfluorids rolle i elektrolytten, der bruges i lithium-ion-batterier. Flere forskere, inklusive Kang Xu, har vist, at batterier med SEI'er rigere på lithiumfluorid yder bedre. Holdet viste, hvordan lithiumfluorid bliver en del af det indre lag af SEI, og resultaterne giver fingerpeg om, hvordan man kan inkorporere mere fluor i strukturen.

"Med denne teknik, du lærer ikke kun hvilke molekyler der er til stede, men også hvordan de er opbygget, " siger Wang. "Det er det smukke ved denne teknologi."