Forskere sporer 3D-ændringer i nanoskala i genopladeligt batterimateriale under drift

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har lavet de første 3D-observationer af, hvordan strukturen af ​​en lithium-ion-batterianode udvikler sig på nanoskala i en rigtig battericelle, når den aflades og genoplades. Detaljerne i denne undersøgelse, beskrevet i et papir udgivet i Angewandte Chemie , kunne pege på nye måder at konstruere batterimaterialer på for at øge kapaciteten og levetiden for genopladelige batterier.

"Dette arbejde giver en direkte måde at kigge inde i batteriernes elektrokemiske reaktion på nanoskalaen for bedre at forstå mekanismen for strukturel nedbrydning, der opstår under et batteris opladnings-/afladningscyklusser, "sagde Brookhaven -fysikeren Jun Wang, der ledede forskningen. "Disse fund kan bruges til at guide konstruktion og behandling af avancerede elektrodematerialer og forbedre teoretiske simuleringer med nøjagtige 3D -parametre."

Kemiske reaktioner, hvor litiumioner bevæger sig fra en negativt ladet elektrode til en positiv, er, hvad der fører elektrisk strøm fra et lithium-ion-batteri til strømforsyningsenheder som f.eks. Bærbare computere og mobiltelefoner. Når en ekstern strøm påføres, sig f.eks. ved at tilslutte enheden til en stikkontakt - reaktionen kører omvendt for at genoplade batteriet.

Forskere har længe vidst, at gentagen opladning/afladning (lithiation og delithiation) introducerer mikrostrukturelle ændringer i elektrodematerialet, især i nogle silicium- og tinbaserede anodematerialer med høj kapacitet. Disse mikrostrukturelle ændringer reducerer batteriets kapacitet-energien batteriet kan lagre-og dets cykluslevetid-hvor mange gange batteriet kan genoplades i løbet af dets levetid. En detaljeret forståelse af, hvordan og hvornår i processen skaden opstår, kunne pege på måder at undgå eller minimere den.

"Det har været meget udfordrende at direkte visualisere den mikrostrukturelle udvikling og ændringer i kemisk sammensætningsfordeling i 3D inden for elektroder, når en rigtig battericelle gennemgår opladning og afladning, "sagde Wang.

Et team ledet af Vanessa Wood fra universitetet ETH Zürich, arbejder hos den schweiziske lyskilde, for nylig udført in situ 3D-tomografi i mikrometerskala opløsning under battericelleopladnings- og afladningscyklusser.

At opnå nanoskalaopløsning har været det ultimative mål.

"For første gang, " sagde Wang, "vi har fanget de mikrostrukturelle detaljer om en driftsbatteri -anode i 3D med nanoskala -opløsning, ved hjælp af en ny in-situ mikrobatteri-celle, vi udviklede til synkrotron røntgen nano-tomografi-et uvurderligt værktøj til at nå dette mål. "Dette fremskridt giver en kraftfuld ny kilde til indsigt i mikrostrukturel nedbrydning.

Opbygning af et mikrobatteri

At udvikle en fungerende mikrobatteri til nanoskala røntgen 3D-billeddannelse var meget udfordrende. Almindelige møntcellebatterier er ikke små nok, plus de blokerer røntgenstrålen, når den drejes.

"Hele mikrocellen skal være mindre end en millimeter i størrelse, men med alle batterikomponenter-elektroden undersøges, en flydende elektrolyt, og modelektroden understøttet af relativt gennemsigtige materialer for at tillade transmission af røntgenstrålerne, og korrekt forseglet for at sikre, at cellen kan fungere normalt og være stabil til gentagen cykling, " sagde Wang. Papiret forklarer i detaljer, hvordan Wangs team byggede en fuldt fungerende battericelle med alle tre batterikomponenter indeholdt i en kvartskapillær, der måler en millimeter i diameter.

Ved at placere cellen i vejen for højintensitets røntgenstråler genereret ved beamline X8C i Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS), forskerne producerede mere end 1400 todimensionale røntgenbilleder af anodematerialet med en opløsning på cirka 30 nanometer. Disse 2D -billeder blev senere rekonstrueret til 3D -billeder, meget som en medicinsk CT-scanning, men med klarhed på nanometerskala. Fordi røntgenstrålerne passerer gennem materialet uden at ødelægge det, forskerne var i stand til at fange og rekonstruere, hvordan materialet ændrede sig over tid, efterhånden som cellen blev afladet og genopladet, cyklus efter cyklus.

Ved hjælp af denne metode, forskerne afslørede, at "alvorlige mikrostrukturelle ændringer forekommer under den første delitiering og efterfølgende anden litiering, hvorefter partiklerne når strukturel ligevægt uden yderligere signifikante morfologiske ændringer."

Specifikt, partiklerne, der udgør den tinbaserede anode, udviklede betydelige krumninger under de tidlige opladnings-/afladningscyklusser, hvilket førte til høj stress. "Vi foreslår, at denne høje stress førte til brud og pulverisering af anodematerialet under den første delithiation, " sagde Wang. Yderligere konkave træk efter den første delithiation inducerede yderligere strukturel ustabilitet i den anden lithiation, men ingen væsentlige ændringer udviklede sig efter det tidspunkt.

"Efter disse første to cyklusser, tinanoden viser en stabil afladningskapacitet og reversibilitet, "Sagde Wang.

"Vores resultater tyder på, at de væsentlige mikrostrukturelle ændringer i elektroderne under den indledende elektrokemiske cyklus, kaldet dannelse i energilagringsindustrien - er en kritisk faktor, der påvirker, hvordan et batteri bevarer meget af sin nuværende kapacitet, efter det er dannet, " sagde hun. "Typisk mister et batteri en væsentlig del af sin kapacitet under denne indledende formningsproces. Vores undersøgelse vil forbedre forståelsen af, hvordan dette sker og hjælpe os med at udvikle bedre kontroller af formningsprocessen med det formål at forbedre ydeevnen for energilagringsenheder. "

Wang påpegede, at mens den aktuelle undersøgelse specifikt kiggede på et batteri med tin som anode, den elektrokemiske celle, som hendes team udviklede, og røntgen-nanotomografiteknikken kan anvendes til undersøgelser af andre anode- og katodematerialer. Den generelle metode til overvågning af strukturelle ændringer i tre dimensioner, når materialer fungerer, lancerer også en mulighed for at overvåge kemiske tilstande og fasetransformationer i katalysatorer, andre typer materialer til energilagring, og biologiske molekyler.

Transmissionsrøntgenmikroskopet, der blev brugt til denne undersøgelse, vil snart flytte til en fuldfelts røntgenbilleddannelse (FXI) beamline ved NSLS-II, en synkrotronfacilitet i verdensklasse nærmer sig nu færdiggørelse på Brookhaven Lab. Denne nye facilitet vil producere røntgenstråler 10, 000 gange lysere end dem på NSLS, muliggør dynamiske studier af forskellige materialer, efterhånden som de udfører deres særlige funktioner.