Nanoskala detaljer af elektrokemiske reaktioner i elektriske køretøjer batterimaterialer

Ved at bruge en ny metode til at spore de elektrokemiske reaktioner i et almindeligt elektrisk køretøjs batterimateriale under driftsforhold, forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har afsløret ny indsigt i, hvorfor hurtig opladning hæmmer dette materiales ydeevne. Undersøgelsen giver også det første direkte eksperimentelle bevis, der understøtter en bestemt model for den elektrokemiske reaktion. Resultaterne, udgivet 4. august 2014, i Naturkommunikation , kunne give vejledning til at informere batteriproducenternes bestræbelser på at optimere materialer til hurtigere opladede batterier med højere kapacitet.

"Vores arbejde var fokuseret på at udvikle en metode til at spore strukturelle og elektrokemiske ændringer på nanoskala, mens batterimaterialet blev opladet, " sagde Brookhaven-fysiker Jun Wang, der ledede forskningen. Hendes gruppe var især interesseret i kemisk at kortlægge, hvad der sker i lithiumjernphosphat - et materiale, der almindeligvis anvendes i katoden, eller positiv elektrode, af batterier til elektriske køretøjer - efterhånden som batteriet oplades. "Vi ønskede at fange og overvåge fasetransformationen, der finder sted i katoden, når lithium-ioner bevæger sig fra katoden til anoden, " hun sagde.

At få så mange lithiumioner som muligt til at bevæge sig fra katode til anode gennem denne proces, kendt som delithiation, er nøglen til at genoplade batteriet til dets fulde kapacitet, så det vil være i stand til at levere strøm i længst mulig tid. At forstå de subtile detaljer om, hvorfor det ikke altid sker, kan i sidste ende føre til måder at forbedre batteriets ydeevne på, gør det muligt for elbiler at køre længere, før de skal genoplades.

Røntgenbilleder og kemisk fingeraftryk

Mange tidligere metoder, der er brugt til at analysere sådanne batterimaterialer, har produceret data, der giver et gennemsnit af effekter over hele elektroden. Disse metoder mangler den rumlige opløsning, der er nødvendig for kemisk kortlægning eller billeddannelse i nanoskala, og vil sandsynligvis overse mulige småskalaeffekter og lokale forskelle inden for stikprøven, Wang forklarede.

For at forbedre disse metoder, Brookhaven-holdet brugte en kombination af fuldfelt, nanoskala-opløsning transmission røntgenmikroskopi (TXM) og røntgenabsorption nær-kant spektroskopi (XANES) ved National Synchrotron Light Source (NSLS), en DOE Office of Science-brugerfacilitet, der leverer stråler af højintensive røntgenstråler til undersøgelser inden for mange videnskabsområder. Disse røntgenstråler kan trænge ind i materialet og producere både billeder i høj opløsning og spektroskopiske data - en slags elektrokemisk "fingeraftryk", der afslører, pixel for pixel, hvor lithium-ioner forbliver i materialet, hvor de er blevet fjernet og efterlader kun jernfosfat, og andre potentielt interessante elektrokemiske detaljer.

Forskerne brugte disse metoder til at analysere prøver, der består af flere nanoskala partikler i en rigtig batterielektrode under driftsforhold (i operando). Men fordi der kan være meget overlap af partikler i disse prøver, de udførte også det samme i operando-undersøgelser ved at bruge mindre mængder elektrodemateriale, end der ville blive fundet i et typisk batteri. Dette gjorde det muligt for dem at få yderligere indsigt i, hvordan delithieringsreaktionen forløber inden for individuelle partikler uden overlap. De studerede hvert system (multipartikel og individuelle partikler) under to forskellige opladningsscenarier - hurtige (som du ville få ved en ladestation til elektriske køretøjer), og langsom (bruges, når du tilslutter dit køretøj derhjemme natten over).

Indsigt i, hvorfor opkrævning har betydning

Disse animerede billeder af individuelle partikler, taget, mens elektroden oplades, viser, at lithierede (røde) og delithierede (grønne) jernphosphatfaser eksisterer side om side i individuelle partikler. Denne konstatering understøtter direkte en model, hvor fasetransformationen fortsætter fra den ene fase til den anden uden eksistensen af ​​en mellemfase.

De detaljerede billeder og spektroskopiske oplysninger afslører en hidtil uset indsigt i, hvorfor hurtig opladning reducerer batterikapaciteten. Ved hurtig opladning, pixel-for-pixel-billederne viser, at transformationen fra lithieret til delithieret jernfosfat forløber uhomogent. Det er, i nogle områder af elektroden, alle lithium-ioner fjernes og efterlader kun jernfosfat, mens partikler i andre områder ikke viser nogen forandring overhovedet, bevarer deres lithium-ioner. Selv i "fuldt opladet" tilstand, nogle partikler tilbageholder lithium, og elektrodens kapacitet er et godt stykke under det maksimale niveau.

"Dette er første gang nogen har været i stand til at se, at delithiation foregik forskelligt på forskellige rumlige steder på en elektrode under hurtige opladningsforhold, " sagde Jun Wang.

Langsommere opladning, i modsætning, resulterer i homogen delithiation, hvor lithiumjernfosfatpartikler i hele elektroden gradvist går over til rent jernfosfat - og elektroden har en højere kapacitet.

Implikationer for bedre batteridesign

Forskere har i et stykke tid vidst, at langsom opladning er bedre for dette materiale, "men folk vil ikke oplade langsomt, " sagde Jiajun Wang, avisens hovedforfatter. "I stedet, vi vil gerne vide, hvorfor hurtig opladning giver lavere kapacitet. Vores resultater giver ledetråde til at forklare hvorfor, og kunne give industrien vejledning for at hjælpe dem med at udvikle et fremtidigt hurtigopladet/højkapacitetsbatteri, " han sagde.

For eksempel, fasetransformationen kan ske mere effektivt i nogle dele af elektroden end andre på grund af uoverensstemmelser i den fysiske struktur eller sammensætning af elektroden - f.eks. dens tykkelse eller hvor porøs den er. "Så i stedet for kun at fokusere på batterimaterialernes individuelle funktioner, producenter vil måske se på måder at forberede elektroden på, så alle dele af den er ens, så alle partikler kan være involveret i reaktionen i stedet for kun nogle, " han sagde.

Individpartikelundersøgelsen opdagede også, for første gang, sameksistensen af ​​to adskilte faser - lithieret jernphosphat og delithieret, eller ren, jernfosfat-indenfor enkelte partikler. Dette fund bekræfter én model for delithiationsfasetransformationen - nemlig at den fortsætter fra den ene fase til den anden uden eksistensen af ​​en mellemfase.

"Disse opdagelser udgør det grundlæggende grundlag for udviklingen af ​​forbedrede batterimaterialer, " sagde Jun Wang. "Desuden, Dette arbejde demonstrerer den unikke evne til at anvende nanoskala billeddannelse og spektroskopiske teknikker til at forstå batterimaterialer med en kompleks mekanisme under virkelige batteridriftsforhold."

Papiret bemærker, at denne operando-tilgang kunne anvendes på andre områder, såsom undersøgelser af brændselsceller og katalysatorer, og i miljø- og biologiske videnskaber.

Fremtidige undersøgelser ved hjælp af disse teknikker på NSLS-II-som vil producere røntgenstråler 10, 000 gange lysere end dem på NSLS - vil have endnu større opløsning og give dybere indsigt i disse materialers fysiske og elektrokemiske egenskaber, hvilket gør det muligt for videnskabsmænd yderligere at belyse, hvordan disse egenskaber påvirker ydeevnen.