Undersøgelse kaster nyt lys over, hvorfor batterier går dårligt

Et omfattende kig på, hvordan små partikler i en lithiumionbatterielektrode opfører sig, viser, at hurtig opladning af batteriet og brug af det til at udføre højeffekt, hurtigt drænende arbejde er måske ikke så skadeligt, som forskere havde troet - og at fordelene ved langsom dræning og opladning kan have været overvurderet.

Resultaterne udfordrer den fremherskende opfattelse af, at "superladning" batterier altid er sværere for batterielektroder end opladning ved langsommere hastigheder, ifølge forskere fra Stanford University og Stanford Institute for Materials &Energy Sciences (SIMES) ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory.

De foreslår også, at forskere muligvis kan ændre elektroder eller ændre den måde, batterier oplades på for at fremme mere ensartet opladning og afladning og forlænge batteriets levetid.

"Den fine detalje af, hvad der sker i en elektrode under opladning og afladning, er blot en af ​​mange faktorer, der bestemmer batteriets levetid, men det er en, indtil denne undersøgelse, ikke blev forstået tilstrækkeligt, "sagde William Chueh fra SIMES, en adjunkt ved Stanfords afdeling for materialevidenskab og teknik og seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi har fundet en ny måde at tænke på batteriforringelse."

Resultaterne, han sagde, kan påføres direkte på mange oxid- og grafitelektroder, der bruges i nutidens kommercielle lithiumionbatterier og i omkring halvdelen af ​​dem under udvikling.

Hans team beskrev undersøgelsen 14. september, 2014, i Naturmaterialer. Teamet omfattede samarbejdspartnere fra Massachusetts Institute of Technology, Sandia National Laboratories, Samsung Advanced Institute of Technology America og Lawrence Berkeley National Laboratory.

Ser Ioner i batteriskiver

En vigtig kilde til batterislitage er hævelse og krympning af de negative og positive elektroder, når de absorberer og frigiver ioner fra elektrolytten under opladning og afladning.

Til denne undersøgelse kiggede forskere på en positiv elektrode lavet af milliarder af nanopartikler af lithiumjernphosphat. Hvis de fleste eller alle disse partikler aktivt deltager i opladning og afladning, de vil absorbere og frigive ioner mere skånsomt og ensartet. Men hvis kun en lille procentdel af partikler suger alle ionerne op, de er mere tilbøjelige til at knække og blive ødelagt, forringe batteriets ydeevne.

Tidligere undersøgelser frembragte modstridende opfattelser af, hvordan nanopartiklerne opførte sig. For at undersøge yderligere, forskere lavede små møntcellebatterier, ladet dem med forskellige strømniveauer i forskellige perioder, hurtigt adskilte dem og skyllede komponenterne for at stoppe opladnings-/afladningsprocessen. Derefter skar de elektroden i ekstremt tynde skiver og tog dem med til Berkeley Lab for undersøgelse med intense røntgenstråler fra Advanced Light Source synchrotron, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Ny indsigt i hurtigere afladning

"Vi var i stand til at se på tusinder af elektrodenanopartikler ad gangen og få snapshots af dem på forskellige stadier under opladning og afladning, "sagde Stanford -kandidatstuderende Yiyang Li, hovedforfatter til rapporten. "Denne undersøgelse er den første til at gøre det omfattende, under mange opladnings- og afladningsforhold. "

Analyse af data ved hjælp af en sofistikeret model udviklet på MIT, forskerne opdagede, at kun en lille procentdel af nanopartikler absorberede og frigjorde ioner under opladning, selv når det blev gjort meget hurtigt. Men da batterierne aflades, der skete en interessant ting:Da udledningshastigheden steg over en bestemt tærskel, flere og flere partikler begyndte at absorbere ioner samtidigt, skifte til en mere ensartet og mindre skadelig tilstand. Dette tyder på, at forskere muligvis kan finjustere elektrodematerialet eller processen for at få hurtigere opladning og afladning og samtidig bevare lang batterilevetid.

Det næste trin, Li sagde, er at køre batteriets elektroder gennem hundreder til tusinder af cyklusser for at efterligne den virkelige verden. Forskerne håber også på at tage snapshots af batteriet, mens det oplades og aflades, frem for at stoppe processen og skille den ad. Dette burde give et mere realistisk syn, og kan udføres ved synkrotroner såsom ALS eller SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, også en DOE Office of Science User Facility. Li sagde, at gruppen også har arbejdet med industrien for at se, hvordan disse fund kan finde anvendelse i transport- og forbrugerelektronik -sektoren.