Popcorn-partikelbaner lover bedre lithium-ion-batterier

Forskere ved Sandia National Laboratories har bekræftet partikel-for-partikel-mekanismen, hvorved lithiumioner bevæger sig ind og ud af elektroder lavet af lithiumjernphosphat (LiFePO ₄ , eller LFP), resultater, der kunne føre til bedre ydeevne i lithium-ion-batterier i elektriske køretøjer, medicinsk udstyr og fly.

Forskningen er rapporteret i en artikel med titlen, "Intercalation Pathway in Many-Pticle LiFePO4 Electrode Revealed by Nanoscale State-of-Charge Mapping" i tidsskriftet Nano bogstaver , 2013, 13 (3), s. 866-872. Forfatterne omfatter Sandia-fysiker Farid El Gabaly og William Chueh fra Stanford University.

LFP, et naturligt mineral fra olivinfamilien, er et af de nyere materialer, der bruges i lithium-ion-batterier og er kendt for at være sikrere og længerevarende end lithium-koboltoxidet (LiCoO) ₂ ) forbindelse brugt i smartphones, bærbare computere og anden forbrugerelektronik.

Mens LFP-materiale er spændende for forskere og batteriproducenter af disse grunde, processen, hvorved lithium-ioner bevæger sig ind og ud af LFP, når batteriet lagrer og frigiver sin energi, er ikke godt forstået. Dette har vist sig at være en barriere for materialets udbredte anvendelse.

Katodematerialer som LFP er kritiske i søgen efter højere kapacitet, langt liv, lithium-ion-batterier til applikationer, hvor batterier ikke kan udskiftes så let eller så ofte, som de er i forbrugerelektronik. Større applikationer, hvor lithium-koboltoxidceller i sidste ende kunne erstattes af LFP-batterier, omfatter elektriske køretøjer og fly.

Popcorn-lignende partikelbevægelser set via mikroskopiteknik

Ved at observere komplette batteritværsnit, forskerne har givet nøgleindsigt i en kontrovers om processen, der begrænser batteriets opladnings- og afladningshastigheder.

Tidligere forsøg på at optimere opladnings-/afladningshastigheden har inkluderet belægning af partiklerne for at øge deres elektriske ledningsevne og reducere partikelstørrelsen for at fremskynde deres transformation, men har overset initieringsprocessen, der meget vel kan være det kritiske hastighedsbegrænsende trin i den måde, lithium bevæger sig fra en partikels ydre til dens indre.

Ved at bruge røntgenmikroskopi til at undersøge ultratynde skiver af et batteri af kommerciel kvalitet, Sandia-forskere fandt bevis for, at opladning og afladning i LFP er begrænset af initieringen af ​​fasetransformation, eller kernedannelse, og er upåvirket af partikelstørrelse.

LFP-elektroden danner en mosaik af homogene partikler, der enten er i en lithium-rig eller lithium-fattig tilstand. Sandia-forskningen bekræfter partikel-for-partikel, eller mosaik, vej for fasetransformationer på grund af indsættelse af lithiumioner i katoden. Resultaterne modsiger tidligere antagelser.

"En udbredelsesteori sagde, at når alle partiklerne blev udsat for lithium, de ville alle begynde at aflade langsomt sammen i en samtidig fasetransformation, " sagde El Gabaly. "Vi har nu set, at processen er mere som popcorn. En partikel er fuldstændig afladet, så den næste, og de går en efter en som popcorn, absorberer lithium."

Udskæring og terning hjælper med at forstå lithium-ion-opladning

Lithium-ioner bevæger sig ind og ud af batterielektrodematerialer, når de oplades og aflades. Når et genopladeligt lithium-ion batteri oplades, en ekstern spændingskilde udvinder lithiumioner fra katodematerialet (positiv elektrode), i en proces kendt som "delithiation". Lithiumionerne bevæger sig gennem elektrolytten og indsættes (interkaleret) i anodematerialet (negativ elektrode), i en proces kendt som "lithiation". Den samme proces sker omvendt, når energi aflades fra batteriet.

"Vi observerede, at der kun var to faser, hvor partiklen enten havde lithium eller ikke havde, " sagde El Gabaly. "I mange tidligere undersøgelser, forskere har fokuseret på at forstå opladningsprocessen inde i en partikel."

El Gabaly og hans Sandia-kolleger tog en skive lidt tykkere end et menneskehår fra et batteri af kommerciel kvalitet, kun et lag LFP-partikler, og kortlagde placeringen af ​​lithium i omkring 450 partikler, når batteriet var i forskellige opladningstilstande.

"Vores opdagelse blev gjort mulig ved at kortlægge lithium i et relativt stort partikelensemble, " han sagde.

Mange værktøjer, faciliteter bidrager til forskning

Forskerne var i stand til at bygge et møntcellebatteri af kommerciel kvalitet af råmaterialer ved hjælp af Sandias cellebatteriprototypeanlæg i New Mexico, som er det største Department of Energy-anlæg udstyret til at fremstille små partier af lithium-ion-celler. Batteriet blev derefter opladet, testet for normal adfærd, og adskilt på Sandias Livermore, Californien, facilitet gennem en ny metode til udskæring af lag, der bevarede det rumlige arrangement fra katoden til anoden.

Sandia-forskerne tog til Lawrence Berkeley National Laboratory for at karakterisere materialerne med avanceret scanningstransmissionsrøntgenmikroskopi (STXM) ved Advanced Light Source (ALS), og vendte derefter tilbage til Sandias sted i Californien til undersøgelse ved transmissionselektronmikroskopi (TEM).

"Røntgenspektroskopien fra ALS fortæller dig, hvad der er inde i en individuel partikel, eller hvor lithium er, men den har lav rumlig opløsning. Vi havde brug for elektronmikroskopi af den samme skive for at fortælle os, hvor alle partiklerne var fordelt over hele batteriets lag, " sagde Chueh, en tidligere Sandia Truman Fellow, der er hovedforfatter til tidsskriftsartiklen og en assisterende professor og center fellow ved Precourt Institute of Energy ved Stanford University.

Sandias forskerhold og andre præsenterede deres tekniske resultater på det nylige Materials Research Society Spring Meeting i San Francisco. Som et resultat af denne præsentation, El Gabaly sagde, andre forskere bruger resultaterne til at validere teoretiske modeller. Teamet kan også samarbejde med industrien, da et firma allerede har tilkendegivet en stærk interesse i, at Sandia udfører lignende undersøgelser af forskellige, mere komplekse batterimaterialer.