Forskere undersøger kemien i en enkelt batterielektrodepartikel både inde og ude

Partiklerne, der udgør lithium-ion batterielektroder, er mikroskopiske, men mægtige:De bestemmer, hvor meget ladning batteriet kan opbevare, hvor hurtigt det oplades og aflades, og hvordan det holder over tid - alt sammen afgørende for høj ydeevne i et elektrisk køretøj eller en elektronisk enhed.

Revner og kemiske reaktioner på en partikels overflade kan forringe ydeevnen, og hele partiklens evne til at absorbere og frigive lithiumioner ændrer sig også over tid. Forskere har undersøgt både men indtil nu havde de aldrig set på både overfladen og det indre af en individuel partikel for at se, hvordan det, der sker i den ene, påvirker den anden.

I en ny undersøgelse, det gjorde et forskerhold ledet af Yijin Liu ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. De stak en enkelt batteri katode partikel, på størrelse med et rødt blodlegeme, på en nålespids og sonderede dens overflade og indre i 3-D med to røntgeninstrumenter. De opdagede, at revner og kemiske ændringer på partiklens overflade varierede meget fra sted til sted og svarede til områder med mikroskopisk revnedannelse dybt inde i partiklen, der tærede dens kapacitet til at lagre energi.

"Vores resultater viser, at overfladen og det indre af en partikel taler med hinanden, i bund og grund, " sagde SLAC's ledende videnskabsmand Yijin Liu, som ledede undersøgelsen ved laboratoriets Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL). "At forstå denne kemiske samtale vil hjælpe os med at konstruere hele partiklen, så batteriet kan cykle hurtigere, for eksempel."

Forskerne beskriver deres resultater i Naturkommunikation i dag.

Skader både indvendigt og udvendigt

Et lithium-ion-batteri lagrer og frigiver energi ved at flytte lithium-ioner gennem en elektrolyt frem og tilbage mellem to elektroder, anoden og katoden. Når du oplader batteriet, lithium-ioner skynder sig ind i anoden til opbevaring. Når du bruger batteriet, ionerne forlader anoden og strømmer ind i katoden, hvor de genererer en strøm af elektrisk strøm.

Hver elektrode består af mange mikroskopiske partikler, og hver partikel indeholder endnu mindre korn. Deres struktur og kemi er nøglen til batteriets ydeevne. Når batteriet oplades og aflades, lithium-ioner siver ind og ud af mellemrummene mellem partiklernes atomer, får dem til at svulme og skrumpe. Over tid kan dette revne og bryde partikler, reducere deres evne til at absorbere og frigive ioner. Partikler reagerer også med den omgivende elektrolyt og danner et overfladelag, der kommer i vejen for ioner, der kommer ind og ud. Efterhånden som revner udvikler sig, elektrolytten trænger dybere ind og beskadiger det indre.

Denne undersøgelse fokuserede på partikler fremstillet af et nikkelrigt lagdelt oxid, som teoretisk kan opbevare mere ladning end nutidens batterimaterialer. Det indeholder også mindre kobolt, gør det billigere og mindre etisk problematisk, da noget koboltminedrift involverer umenneskelige forhold, sagde Liu.

Der er kun ét problem:Partiklernes kapacitet til at lagre ladning falmer hurtigt under flere runder af højspændingsopladning - den type, der bruges til hurtigopladning af elektriske køretøjer.

"Du har millioner af partikler i en elektrode. Hver af dem er som en riskugle med mange korn, " sagde Liu. "De er byggestenene i batteriet, og hver enkelt er unik, ligesom hver person har forskellige egenskaber."

At tæmme et næste generations materiale

Liu sagde, at forskere har arbejdet på to grundlæggende tilgange til at minimere skader og øge ydeevnen af ​​partikler:At lægge en beskyttende belægning på overfladen og pakke kornene sammen på forskellige måder for at ændre den indre struktur. "Enhver tilgang kunne være effektiv, " Liu sagde, "men at kombinere dem ville være endnu mere effektivt, og derfor er vi nødt til at tage fat på det større billede."

Shaofeng Li, en gæstende kandidatstuderende ved SSRL, der vil slutte sig til SLAC som postdoc-forsker, førte røntgeneksperimenter, der undersøgte en enkelt nålemonteret katodepartikel fra et opladet batteri med to instrumenter - det ene scannede overfladen, den anden sonderer det indre. Baseret på resultaterne, teoretikere ledet af Kejie Zhao, en lektor ved Purdue University, udviklet en computermodel, der viser, hvordan opladning ville have beskadiget partiklen over en periode på 12 minutter, og hvordan dette skademønster afspejler interaktioner mellem overfladen og det indre.

"Det billede, vi får, er, at der er variationer overalt i partiklen, " sagde Liu. "For eksempel, visse områder på overfladen nedbrydes mere end andre, og dette påvirker hvordan interiøret reagerer, hvilket igen gør, at overfladen nedbrydes på en anden måde."

Nu, han sagde, holdet planlægger at anvende denne teknik på andre elektrodematerialer, de har studeret tidligere, med særlig opmærksomhed på, hvordan opladningshastighed påvirker skadesmønstre. "Du vil gerne være i stand til at oplade din elbil på 10 minutter i stedet for flere timer, " han sagde, "så dette er en vigtig retning for opfølgende undersøgelser."