Eksotisk tilstand af stof - en tilfældig solid løsning - påvirker, hvordan ioner bevæger sig gennem batterimateriale

Nye observationer fra forskere ved MIT har afsløret den indre funktion af en type elektrode, der er meget udbredt i lithium-ion-batterier. De nye resultater forklarer den uventede høje effekt og lange levetid for sådanne batterier, siger forskerne.

Resultaterne fremgår af et papir i journalen Nano bogstaver medforfatter af MIT postdoc Jun Jie Niu, forsker Akihiro Kushima, professorer Yet-Ming Chiang og Ju Li, og tre andre.

Elektrodematerialet undersøgt, lithium jernphosphat (LiFePO4), betragtes som et særligt lovende materiale til lithium-baserede genopladelige batterier; det er allerede blevet demonstreret i applikationer lige fra elværktøj til elektriske køretøjer til storskala netlager. MIT -forskerne fandt ud af, at inde i denne elektrode, under opladning, en fastopløsningszone (SSZ) dannes ved grænsen mellem lithiumrige og lithiumforarmede områder-det område, hvor ladningsaktiviteten er koncentreret, som lithiumioner trækkes ud af elektroden.

Li siger, at denne SSZ "teoretisk er blevet forudsagt at eksistere, men vi ser det direkte for første gang, " i transmissionselektronmikroskop (TEM) videoer taget under opladning.

Observationerne hjælper med at løse et mangeårigt puslespil om LiFePO4:I krystalform i bulk, både lithiumjernphosphat og jernphosphat (FePO4, som efterlades, da lithium-ioner vandrer ud af materialet under opladning) har meget dårlige ioniske og elektriske ledningsevner. Men når de behandles - med doping og kulstofbelægning - og bruges som nanopartikler i et batteri, materialet udviser en imponerende høj opladningshastighed. "Det var ret overraskende, da denne [hurtige opladning og afladningshastighed] først blev demonstreret, " siger Li.

"Vi observerede direkte en metastabil tilfældig solid løsning, der kan løse dette grundlæggende problem, som har fascineret [materialeforskere] i mange år, "siger Li, Battelle Energy Alliance professor i nuklear videnskab og teknik og professor i materialevidenskab og teknik.

SSZ er en "metastabil" tilstand, vedblivende i mindst flere minutter ved stuetemperatur. Udskiftning af en skarp grænseflade mellem LiFePO4 og FePO4, der har vist sig at indeholde mange yderligere linjefejl kaldet "dislokationer, "SSZ'en fungerer som en buffer, reducere antallet af dislokationer, der ellers ville bevæge sig med den elektrokemiske reaktionsfront. "Vi ser ingen forskydninger, "Siger Li. Dette kan være vigtigt, fordi generering og opbevaring af dislokationer kan forårsage træthed og begrænse cyklussens levetid for en elektrode.

I modsætning til konventionel TEM-billeddannelse, teknikken brugt i dette arbejde, udviklet i 2010 af Kushima og Li, gør det muligt at observere batterikomponenter, når de oplades og aflades, som kan afsløre dynamiske processer. "I de sidste fire år, der har været en stor eksplosion af at bruge sådanne in situ TEM-teknikker til at studere batteridrift, " siger Li.

En bedre forståelse af disse dynamiske processer kunne forbedre ydeevnen af ​​et elektrodemateriale ved at tillade bedre justering af dets egenskaber, Siger Li.

På trods af en ufuldstændig forståelse til dato, lithium jernphosphat nanopartikler bruges allerede i industriel skala til lithium-ion batterier, Li forklarer. "Videnskaben halter bag applikationen, " siger han. "Det er allerede opskaleret og ret vellykket på markedet. Det er en af ​​nanoteknologiens succeshistorier. "

"Sammenlignet med traditionel lithium-ion, [lithium jernphosphat] er miljøvenlig, og meget stabil, " siger Niu. "Men det er vigtigt, at dette materiale bliver godt forstået."

Mens opdagelsen af ​​SSZ blev gjort i LiFePO4, Li siger, "Det samme princip gælder muligvis for andre elektrodematerialer. Folk leder efter højeffektelektrodematerialer, og sådanne metastabile tilstande kunne eksistere i andre elektrodematerialer, der er inerte i bulkform. … Det opdagede fænomen kunne være meget generelt, og ikke specifikt for dette materiale. "

Chongmin Wang, en forsker ved Pacific Northwest National Laboratory, som ikke var involveret i denne forskning, kalder dette papir "stort arbejde".

"Der er blevet foreslået flere modeller baseret på både teoretisk og eksperimentelt arbejde, " siger Wang. "Men ingen af ​​dem ser ud til at være afgørende."

Denne nye forskning, han siger, "giver overbevisende og direkte bevis" på mekanismen på arbejdet:"Arbejdet er et stort skridt fremad for at skubbe uklarhederne mod at favorisere en solid løsningsmodel."

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.