Afslører hvordan et batterimateriale fungerer

Siden opdagelsen for 15 år siden, lithium jernphosphat (LiFePO ₄ ) er blevet et af de mest lovende materialer til genopladelige batterier på grund af dets stabilitet, holdbarhed, sikkerhed og evne til at levere en masse strøm på én gang. Det har været i fokus for store forskningsprojekter rundt om i verden, og en førende teknologi, der bruges i alt fra elværktøj til elbiler. Men på trods af denne store interesse, årsagerne til lithiumjernphosphatets usædvanlige opladnings- og afladningsegenskaber har været uklare.

Nu, forskning fra MIT lektor i kemiteknik og matematik Martin Z. Bazant har givet overraskende nye resultater, der viser, at materialet opfører sig ganske anderledes, end man havde troet, hjælper med at forklare dens ydeevne og muligvis åbne døren for opdagelsen af ​​endnu mere effektive batterimaterialer.

Den nye indsigt i lithiumjernphosphats adfærd er detaljeret i et papir, der i denne uge blev vist i tidsskriftet ACS Nano , skrevet af Bazant og postdoc Daniel Cogswell. Papiret er en forlængelse af forskning, de rapporterede sidst i fjor i tidsskriftet Nano bogstaver .

Da det først blev opdaget, lithiumjernphosphat blev kun anset for nyttigt til applikationer med lav effekt. Derefter, senere udviklinger-af forskere, herunder MITs Yet-Ming Chiang, Kyocera -professoren i keramik - viste, at dens effektkapacitet kunne forbedres dramatisk ved at bruge den i nanopartikelform, en fremgangsmåde, der gjorde det til et af de bedste materialer kendt for applikationer med høj effekt.

Men årsagerne til, at nanopartikler af LiFePO ₄ fungerede så godt forblev undvigende. Det var en udbredt opfattelse, at mens man blev anklaget eller udskrevet, bulkmaterialet adskilt i forskellige faser med meget forskellige koncentrationer af lithium; denne faseadskillelse, man tænkte, begrænset materialets effektkapacitet. Men den nye forskning viser, at under mange virkelige forhold, denne adskillelse sker aldrig.

Bazants teori forudsiger, at over en kritisk strøm, reaktionen er så hurtig, at materialet mister sin tendens til faseseparationen, der sker ved lavere effektniveauer. Lige under den kritiske strøm, materialet passerer gennem en ny tilstand "kvasi-solid løsning", hvor det "ikke har tid til at fuldføre faseseparationen, " han siger. Disse egenskaber hjælper med at forklare, hvorfor dette materiale er så godt til genopladelige batterier, han siger.

Resultaterne skyldes en kombination af teoretisk analyse, computermodellering og laboratorieforsøg, Bazant forklarer-en tværfaglig tilgang, der afspejler hans egne fælles ansættelser i MITs afdelinger for kemiteknik og matematik.

Tidligere analyser af dette materiale havde undersøgt dets adfærd på et enkelt tidspunkt, ignorerer dynamikken i dens adfærd. Men Bazant og Cogswell undersøgte, hvordan materialet ændres under brug, enten under opladning eller afladning af et batteri - og dets skiftende egenskaber over tid viste sig at være afgørende for at forstå dets ydeevne.

"Dette er ikke blevet gjort før, ”Siger Bazant. Hvad de fandt, tilføjer han, er et helt nyt fænomen, og en, der kunne være vigtig for at forstå ydeevnen for mange batterimaterialer - hvilket betyder, at dette arbejde kan være betydeligt, selvom lithiumjernphosphat ender med at blive opgivet til fordel for andre nye materialer.

Forskere havde troet, at lithium gradvist trænger ind i partiklerne udefra, producerer en krympende kerne af lithiumfattigt materiale i midten. Hvad MIT -teamet fandt var ganske anderledes:Ved lav strøm, litium danner lige parallelle bånd af beriget materiale inden i hver partikel, og båndene bevæger sig hen over partiklerne, når de oplades. Men ved højere elektrisk strømniveauer, der er slet ingen adskillelse, enten i bånd eller i lag; i stedet, hver partikel opsuger litium på én gang, omdannes næsten øjeblikkeligt fra lithiumfattige til lithiumrige.

Det nye fund hjælper også med at forklare lithiumjernphosphatets holdbarhed. Når der er striber af forskellige faser til stede, grænserne mellem disse striber er en kilde til belastning, der kan forårsage revner og en gradvis forringelse af ydeevnen. Men når hele materialet ændrer sig på én gang, der er ingen sådanne grænser og dermed mindre nedbrydning.

Det er et usædvanligt fund, Bazant siger:“Normalt hvis du gør noget hurtigere, du gør mere skade, men i dette tilfælde er det modsat. ” Tilsvarende han og Cogswell forudsiger, at drift ved en lidt højere temperatur faktisk ville få materialet til at vare længere, hvilket strider mod typisk materiel adfærd.

Udover at se hvordan materialet ændrer sig over tid, forståelse for, hvordan det fungerer, involverede at se på materialet i skalaer, som andre ikke havde undersøgt:Mens der var foretaget meget analyse på niveauet af atomer og molekyler, det viste sig, at de vigtigste fænomener kun kunne ses i omfang af selve nanopartiklerne, Bazant siger - mange tusinde gange større. ”Det er en størrelsesafhængig effekt, " han siger.

MIT materialevidenskabsprofessor Gerbrand Ceder observerede og skrev om lithiumjernphosphats adfærd på høje aktuelle niveauer sidste år; nu, Bazants teoretiske analyse kunne føre til en bredere forståelse, ikke kun af dette materiale, men også andre, der kan undergå lignende ændringer.

Troy Farrell, lektor i matematik ved Queensland University of Technology i Australien, der ikke var involveret i dette arbejde, siger, at disse fund er af stor betydning for dem, der forsker i lithiumbatterier. Han tilføjer, at denne nye forståelse ”gør det muligt for materialeforskere at udvikle nye strukturer og forbindelser, der i sidste ende fører til batterier, der har længere levetid og højere energitæthed. Det er det, der kræves, hvis batteriteknologi skal bruges i applikationer med høj effekt som elektriske køretøjer. ”

At forstå, hvorfor lithiumjernphosphat fungerer så godt, var "et af de mest interessante videnskabelige gåder, jeg er stødt på, ”Siger Bazant. "Det tog fem år at finde ud af det."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.