Sporing af varmedrevet henfald i førende elektriske bilbatterier

Genopladelige elbiler er et af de største redskaber mod stigende forurening og kulstofemissioner, og deres udbredte anvendelse afhænger af batteriets ydeevne. Forskere med speciale i nanoteknologi fortsætter med at jage efter den perfekte molekylære opskrift på et batteri, der driver prisen ned, øger holdbarheden, og tilbyder flere miles på hver opladning.

En særlig familie af lithium-ion-batterier sammensat af nikkel, kobolt, og aluminium (NCA) tilbyder en tilstrækkelig energitæthed-et mål for den lagrede elektricitet i batteriet-til at den fungerer godt i store og langdistancekøretøjer, herunder elbiler og erhvervsfly. Der er, imidlertid, en betydelig fangst:Disse batterier nedbrydes med hver cyklus af opladning og afladning.

Når batteriet cykler, lithiumioner kører frem og tilbage mellem katode og anode og efterlader påviselige spor af nanoskala skader. Vigtigt, den høje varme i bilmiljøer kan intensivere disse oplysende nedbrydningsspor og endda forårsage fuldstændig batterisvigt.

"Forholdet mellem strukturelle ændringer og den katastrofale termiske flugt påvirker både sikkerhed og ydeevne, "sagde fysikeren Xiao-Qing Yang fra US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory." Den indgående forståelse af dette forhold vil hjælpe os med at udvikle nye materialer og fremme dette NCA-materiale for at forhindre den farlige nedbrydning. "

For at få et holistisk portræt af NCA -batteriets elektrokemiske reaktioner, forskere i Brookhaven Labs kemiafdeling og Center for funktionelle nanomaterialer (CFN) gennemførte en række på tre undersøgelser, hver dykker dybere ned i de molekylære ændringer. Arbejdet strakte sig over røntgenbaseret udforskning af gennemsnitlige materialemorfologier til overraskende asymmetrier i atomskala afsløret ved elektronmikroskopi.

"Efter hver cyklus af ladning/udladning-eller endda trinvise trin i begge retninger-så vi atomstrukturen overgang fra ensartede krystallinske lag til en uordnet rocksaltkonfiguration, "sagde Brookhaven Lab -videnskabsmanden Eric Stach, der leder CFN's elektronmikroskopigruppe. "Under denne transformation, ilt forlader den destabiliserede batteriforbindelse. Dette overskydende ilt, udvasket med hurtigere og hurtigere hastigheder over tid, bidrager faktisk til risikoen for fiasko og fungerer som brændstof til en potentiel brand. "

Disse nye og grundlæggende indsigter kan hjælpe ingeniører med at udvikle overlegne batterikemikalier eller nanoskalaarkitekturer, der blokerer denne forringelse.

Undersøgelse 1:Røntgenbilleder af varmedrevet nedbrydning

Den første undersøgelse, udgivet i Kemi af materialer , udforskede NCA-batteriet ved hjælp af kombinerede røntgendiffraktions- og spektroskopiteknikker, hvor stråler af højfrekvente fotoner bombarderer og hopper af et materiale for at afsløre elementær struktur og sammensætning. Disse røntgenundersøgelser blev udført ved Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS).

"Vi var i stand til at teste batteriets cykling in situ, hvilket betyder, at vi kunne se virkningerne af stigende varme i realtid, "sagde Brookhaven Lab-kemiker og studieforfatter Seong Min Bak." Vi skubbede det fuldt opladede NCA-møntcellebatteri ud af termisk ligevægt ved at opvarme det helt til 500 grader Celsius. "

Da temperaturen steg, røntgenstråler ramte prøven og afslørede den udbredte overgang fra en krystalstruktur til en anden. Teamet målte også mængden af ​​ilt og kuldioxid frigivet af NCA -prøven - en vigtig indikator for potentiel brandbarhed.

"Iltfrigivelsen toppede mellem 300 og 400 grader Celsius under vores forsøg, som er over driftstemperaturen for de fleste køretøjer, "Sagde Bak." Men den temperaturgrænse faldt for et højt opladet batteri, suggesting that operating at full energy capacity accelerates structural degradation and vulnerability."

While they further confirmed the results with x-ray absorption spectroscopy and electron microscopy after the heating trials, the team needed to map the changes at higher resolutions.

Study 2:Charge-induced transformations

The next study, also published in Kemi af materialer , used transmission electron microscopy (TEM) to pinpoint the effect of an initial charge on the battery's surface structure. The highly focused electron beams available at CFN revealed individual atom positions as an applied current pushed pristine batteries to an overcharged state.

"The surface changes matched the rock-salt evolution found in the x-ray study, " said study coauthor Sooyeon Hwang of the Korea Institute of Science and Technology (KIST). "Even with just one charge on the NCA battery we saw changes in the crystalline structure, and it grew much worse as the charge level increased."

To capture the atoms' electronic structures, the scientists used electron energy loss spectroscopy (EELS). I denne teknik, measurements of the energy lost by a well-defined electron beam reveal local charge densities and elemental configurations.

"We found a decrease in nickel and an increase in the electron density of oxygen, " Hwang said. "This causes a charge imbalance that forces oxygen to break away and leave holes in the NCA surface, permanently damaging the battery's capacity and performance."

While this combined crystallographic and electronic data confirmed and clarified the earlier work, temperature effects still needed to be explored with atomic precision.

Study 3:Thermal decay and real-time electron microscopy

The final study, udgivet i Anvendte materialer og grænseflader , used in situ electron microscopy to track the heat-driven decomposition of NCA materials at different states of charge. The atomic-scale structural investigation under variable temperatures and charge levels offered the most comprehensive portrait yet.

The collaboration found that even though pristine and uncharged NCA samples remained stable up to 400 degrees Celsius, charging introduced the usual decomposition and vulnerabilities. The full story, imidlertid, was much more nuanced.

"We saw the same overall degradation patterns, but the real-time TEM revealed an unexpected twist within individual particles, " Stach said. "When fully charged, some particles released oxygen and began to shift toward disorder down at temperatures below 100 degrees Celsius—definitely plausible for a lithium-ion battery's normal operation."

Added Hwang, "Those unstable, degraded particles may trigger the chain reaction of so-called thermal runaway at lower temperatures than expected, and that free oxygen would feed the fire springing from an overheated battery."

The future of batteries

The corroborating data in the three studies points to flaws in the chemistry and architecture of NCA batteries—including the surprising atomic asymmetries—and suggests new ways to enhance durability, including the use of nanoscale coatings that reinforce stable structures.

"We plan to push these investigative techniques even further to track the battery's structure in real-time as it charges and discharges under real operating conditions—we call this in operando, " Stach said. "Brookhaven's National Synchrotron Light Source II will be a game-changer for this kind of experimentation, and I'm eager to take advantage of that facility's ultra-bright x-rays to track internal and surface evolutions in these materials."