Elektrokemiske fingre låser op for batteriets indre potentiale

Lithium-ion-batterier frigiver elektricitet, når elektrokemiske reaktioner spredes gennem aktive materialer. At manipulere denne komplekse proces og drive reaktionerne ind i det energirige hjerte af hver del af disse aktive materialer er afgørende for at optimere udgangseffekten og den ultimative energikapacitet af disse batterier.

Nu, forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory og samarbejdsinstitutter har kortlagt disse reaktionsveje i atomskala og forbundet dem med batteriets afladningshastighed.

Mod forventning, en langsom afladningshastighed gør det muligt for elektrokemiske "fingre" at trænge ind i elektrodematerialet og lirke dens lagrede energi fri gennem en proces kaldet lithiation. Under højhastighedsudledninger, imidlertid, disse lithiation-fingre trænger langsomt ind lag for lag på en meget mere ineffektiv måde.

"Dette modelsystem afslører det afgørende samspil mellem udledningshastigheden og lithiationsmønsteret, " sagde Dong Su, som ledede forskningen ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN). "De subtile mønstre, vi ser, kan hjælpe os med at udvikle overlegne batteriarkitekturer, der accelererer lithiation penetration og forbedrer den generelle ydeevne."

Arbejdet blev udført på Brookhaven Labs CFN og National Synchrotron Light Source, og SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Light Source - alle DOE Office of Science User Facilities. Studiet, offentliggjort den 29. januar, 2015, i journalen Nano bogstaver , omfatter samarbejdspartnere fra Cornell University, Colorado School of Mines, Lawrence Berkeley National Laboratory, Stony Brook University, og Massachusetts Institute of Technology.

"Den første brug af disse nikkeloxidelektrodematerialer til at lagre og aflade energi hjælper faktisk med at bestemme materialets fremtidige ydeevne, " sagde Kai He, den første forfatter og en post-doc-stipendiat, der arbejder ved CFN. "Udledningsprocessen starter nær overfladen, og bevæger sig derefter ind i interiøret gennem 'fingre' for at låse op for materialets fulde kapacitet. Det pæne er, at vi kunne se denne overgang ske for første gang."

"Krybende" fingre

Undersøgelsen viste, at flere forskellige reaktionsveje kan forekomme i disse materialer. Selvom overfladereaktionerne bevæger sig hurtigt, de trænger ikke dybt ind i materialet, så denne reaktionsvej kan kun bidrage en lille smule til batteriets samlede energikapacitet og output.

"Over tid, overfladenær-reaktionen forplanter sig ensartet fra den ydre overflade af hver nanopartikel indad fra alle retninger - det er det, vi kalder krympende kerne-tilstanden - men den kan være usædvanlig langsom, " sagde han. "Den indre kapacitet forbliver for det meste uberørt, indtil lithieringsfingrene dannes."

Disse kernedannelsesfingre spredes derefter meget som trærødder, der kryber gennem energifyldt jord, låse op for elektricitet, mens de går.

"Vi forventede, at denne proces ville ske meget hurtigere under højhastighedsudledninger, men vi fandt ud af, at det modsatte var sandt, " sagde Su. "Høje hastigheder spredes over materialets overflade, men bliver så brat gået i stå. Ved langsomme udledningshastigheder, imidlertid, de penetrerende fingre dannede sig hurtigt og åbnede vejen for stabil, høj kapacitetsbrug."

Lithiationsfingrene - nøglen til at låse op for fuld kapacitet - kræver en fast inkubationstid for at dannes og vokse, som opstiller en tidsskala for effektiv, højhastigheds energilagring i lithium-ion-batterier.

Sagde studiemedforfatter Feng Lin, en materialeforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, "Vi valgte at udføre vores undersøgelse ved at bruge unikt designede nikkeloxidmaterialer på nanoskala. Disse materialer er noget todimensionelle, og give klare krystalorienteringer til eksperimentel observation og teoretisk modellering. Vi forventer, at lignende fænomener er gældende for andre relaterede elektrodematerialer."

Røntgen- og elektronsonder

Samarbejdet kombinerede data fra elektronmikroskopi, røntgenspektroskopi, og beregningsmodellering.

"Vi brugte elektronstråler fokuseret til en størrelse på 1 Ångstrøm (10-10 meter) til at kortlægge de fysiske veje for disse reaktioner, " sagde Eric Stach, som var medforfatter til dette papir og leder CFN's elektronmikroskopigruppe. "Ved brug af transmissionselektronmikroskopi, vi lavede film i realtid af lithiationsmønstrene. Dette gjorde os i stand til direkte at visualisere, hvordan denne proces foregår på nanoskala. Vi karakteriserede også lithium-ion-prøverne efter udledning for yderligere at kortlægge de strukturelle og kemiske ændringer med tredimensionel elektrontomografi."

Disse data blev bekræftet af røntgenspektroskopiundersøgelser udført ved Brookhavens National Synchrotron Light Source og SLAC Labs Stanford Synchrotron Radiation Light Source.

Røntgenundersøgelserne sporede kvantitativt de kemiske ændringer i prøverne, afslører hastighederne af lithieringsreaktioner og den udviklende kemiske struktur. Beregningsmodeller hjalp derefter med at fortolke disse data og forklare den elektrokemiske forbindelse mellem afladningshastighed og reaktionsudbredelse.

"Rækken af ​​talent, ekspertise, og instrumenter fra laboratorier over hele landet lader os få et komplet portræt af hele reaktionen på alle relevante længdeskalaer, forbinder elektrokemi og reaktionsmekanisme med nanostrukturer, " sagde han.

Forskerne planlægger at anvende den samme metode til flere systemer og udvide dens brug som en guide til nye, højtydende batteriteknik.