Hvordan nogle batterimaterialer udvider sig uden at revne

Når du oplader et batteri, eller når du bruger det, det er ikke kun elektricitet, men også stof, der bevæger sig rundt indeni. ioner, som er atomer eller molekyler, der har en elektrisk ladning, rejse fra en af ​​batteriets elektroder til den anden, får elektroderne til at krympe og svulme. Faktisk, Det har længe været et mysterium, hvorfor ret skøre elektrodematerialer ikke revner under belastningen af ​​disse ekspansions- og sammentrækningscyklusser.

Svaret er måske endelig fundet. Et team af forskere ved MIT, Syddansk Universitet, Rice University, og Argonne National Laboratory har fastslået, at hemmeligheden ligger i elektrodernes molekylære struktur. Mens elektrodematerialerne normalt er krystallinske, med alle deres atomer pænt arrangeret i en regelmæssig, gentagne array, når de gennemgår opladning eller afladning, de forvandles til en uordnet, glaslignende fase, der kan rumme belastningen af ​​dimensionsændringerne.

De nye resultater, hvilket kan påvirke fremtidens batteridesign og endda føre til nye typer aktuatorer, rapporteres i journalen Nano bogstaver , i et papir af MIT professor i materialevidenskab og teknik Yet-Ming Chiang, kandidatstuderende Kai Xiang og Wenting Xing, og otte andre.

I teorien, hvis du skulle strække et lithium-ion-batteri ud over et omdrejningspunkt, med en elektrode på hver side, Chiang siger, "den ville gå op og ned som en vippe", mens den blev ladet og afladet. Ændringen i massen, når ioner bevæger sig frem og tilbage, er også ledsaget af en udvidelse eller sammentrækning, der kan variere, afhængig af materialet, "fra 1 procent eller deromkring, helt op til silicium, som kan udvides med 300 procent, " han siger.

Denne forskning omhandlede en anden slags batteri, kaldet et natrium-ion batteri. Forskerne så på en bestemt klasse af materialer, der blev set som potentielle batterikatoder (positive elektroder), kaldet phospho-oliviner, og specifikt ved natrium-jern-phosphat (NaFePO ₄ ). De fandt ud af, at det er muligt at finjustere volumenændringerne over et meget bredt område – ikke kun ændrer hvor meget materialet udvider og trækker sig sammen, men også dynamikken i, hvordan den gør det. For nogle kompositioner, udvidelsen er meget langsom og gradvis, men for andre kan det stige pludseligt.

"Inden for denne familie af oliviner, " Chiang siger, "Vi kan have det langsomt, trinvis ændring, " spænder over hele området fra næsten nul opladning til meget høj effekt. Alternativt, ændringen kan være "noget meget drastisk, " som det er tilfældet med NaFePO ₄ , som hurtigt ændrer sin volumen med omkring 17 procent.

"Vi ved, at skøre forbindelser som denne normalt ville bryde med mindre end 1 procent volumenændring, " siger Chiang. "Så hvordan kan dette materiale rumme så store volumenændringer? Hvad vi fandt, i en vis forstand, er, at krystallen giver op og danner et uordnet glas" i stedet for at bevare sit præcist ordnede gitter.

"Dette er en mekanisme, som vi tror kan anvendes mere bredt på andre forbindelser af denne art, " han siger, tilføjer, at fundet kan repræsentere "en ny måde at skabe glasagtige materialer, der kan være nyttige til batterier." Når først ændringen til en glasagtig sammensætning finder sted, dens lydstyrkeændringer bliver gradvise snarere end pludselige, og som et resultat "kan den have længere levetid, " siger Chiang.

Resultaterne kunne give et nyt designværktøj til dem, der forsøger at udvikle længere levetid, batterier med højere kapacitet, han siger. Det kan også føre til mulige applikationer, hvor lydstyrkeændringerne kan tages i brug, som robotaktuatorer eller som pumper til at levere lægemidler fra implanterbare enheder.

Holdet planlægger at fortsætte med at arbejde på lettere måder at syntetisere disse olivinforbindelser på, og afgøre, om der er en bredere familie af krystallinske materialer, der deler denne faseskiftende egenskab.

Denne forskning giver "et afgørende bidrag, der forbinder det elektrokemiske, mekanisk, og krystallografiske aspekter af batterielektroder, " siger William Chueh, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford University, som ikke var involveret i dette arbejde.

"Elektrodematerialer, der bruges i lithium-ion-batterier, krymper og udvider sig under opladning og afladning, og ofte uforholdsmæssigt inden for en enkelt partikel. Hvis belastningen ikke kan imødekommes, partikelbrud, til sidst får batteriet til at svigte. Dette ligner en kold keramisk kop, der revner, når kogende vand hældes i for hurtigt, " siger Chueh. Dette arbejde "identificerer en ny trækaflastningsmekanisme, når volumenændringen er stor, hvilket indebærer, at materialet bliver fra et krystallinsk fast stof til et amorft i stedet for at brydes."

Denne opdagelse, han siger, "kan få forskere til at gense batterimaterialer, der tidligere blev anset for ubrugelige på grund af den store volumenændring under opladning og afladning. Det ville også føre til bedre forudsigende modeller, der bruges af ingeniører til at designe ny generation af batterier."

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.