Molekylær kaos ved rod til batterinedbrud

Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har afsløret et molekylært spil med musikalske stole, der skader batteriets ydeevne.

I en artikel offentliggjort i Natur nanoteknologi , forskerne demonstrerer, hvordan excitationen af ​​iltatomer, der bidrager til bedre ydeevne af et lithium-ion-batteri, også udløser en proces, der fører til skade, forklare et fænomen, der har været et mysterium for videnskabsmænd.

Forskningen peger på videnskaben bag én barriere på vejen mod at skabe længerevarende, genopladelige lithium-ion-batterier med højere kapacitet. Det er en uventet opdagelse om en proces, der finder sted hver dag i de batterier, der driver mobiltelefoner, bærbare computere, og elbiler.

Ulempen ved ilt

At kontrollere, hvordan molekyler passer sammen og flyder, er afgørende for et batteris evne til at lagre og frigive energi. I et lithium-ion batteri, opladningsprocessen omfatter strømmen af ​​lithiumioner fra katoden gennem elektrolytten til anoden. Ved udskrivning, de samme ioner vender tilbage til katoden, hvor de skulle slå sig tilbage i deres tildelte positioner i et strengt regimenteret gitter, hvor andre atomer, såsom ilt, nikkel, kobolt, og magnesium, også bor. Denne konstante frem og tilbage er det, der gør det muligt for batteriet at lagre og frigive energi.

For at øge denne proces, forskere øger strømmen af ​​lithium fra katoden ved at bruge oxygen som donor af elektroner, men dette resulterer i "ophidsede" iltatomer, der kan skabe kaos i den omhyggeligt konstruerede katode. PNNL-holdet opdagede, at disse iltmolekyler er skadelige:De er meget mobile og vil sandsynligvis undslippe fra overfladen, fører til mindre kapacitet og i sidste ende til batterifejl, og de bytter molekylære positioner med lethed, understreger batteriets struktur.

"Oxygenatomerne tilbyder elektroner, og det øger kapaciteten. Men der er en omkostning, der skal betales; folk har ikke indset det, " sagde PNNL videnskabsmand Chongmin Wang, der ledede undersøgelsen. "Vi har vidst, at ilt øger batteriets ydeevne, men vi har ikke helt forstået alle de involverede principper."

Kamp i katoden

Wangs hold sporede præcist, hvad der sker med ilten i katoden, afslører en fortælling om molekylære musikalske stole, der involverer ophidsede oxygen-bøller, "gabende huller skabt af deres opportunistiske udgang fra strukturen, og lithium-ioner stoppede i deres bestræbelser på at vende tilbage, hvorfra de kom.

Holdet viste, at alt for ophidsede oxygenatomer - skabt når oxygenatomer har doneret deres elektroner - er tilbøjelige til at undslippe fra katodens overflade, efterlader en ledig plads i det omhyggeligt konstruerede batterigitter.

Når iltatomer på overfladen forsvinder, yderligere oxygenatomer i bulkstrukturmusklen deres vej ind i de nu tomme spalter. Flere og flere iltmolekyler følger trop i en kædereaktion, arbejder sig op i de tomme spalter og flygter fra overfladen. Mens processen fortsætter, defekter migrerer fra katodens overflade dybere ind i materialet, skabe et stort hul eller tomrum. Aktiviteten efterligner en proces, som mange af os kender alt for godt:huller i tænderne, som begynder med en lille defekt ved en overflade, men til sidst går dybere og forårsager et større problem.

Udskiftningen af ​​stedet forårsager kaos på et batteris tidligere velordnede atomstruktur. Andre atomer som nikkel, magnesium, kobolt, og ilt begynder at bevæge sig rundt og fungerer effektivt som bøller, sandsynligvis stjæle et sæde, der er beregnet til lithium, mens lithium er væk og laver nyttig batterikemi.

Og de ledige stillinger efterladt af de forladte iltatomer begynder at gruppere sig i tomrum, præsenterer formidable barrierer og forhindrer lithium-ioner i at komme tilbage, hvor de hører hjemme. Når færre lithiumatomer er i stand til at genoprette sig selv i de korrekte positioner i katoden, færre er til rådighed for at foretage rundturen mellem anode og katode. Det betyder, at batteriet lagrer mindre og mindre energi.

Til sidst, det høje antal ledige stillinger eller tomrum destabiliserer gitteret, fører til mindre kapacitet og i sidste ende til batterisvigt.

En livvagt for egensindig ilt

"Når du har mistet nok iltatomer, batteriet mister kapacitet og hele strukturen kollapser, " sagde Wang, hvis PNNL-team også arbejdede med forskere fra Beijing University of Technology i Kina, Lawrence Berkeley National Laboratory, og Argonne National Laboratory.

Holdet undersøger måder at stoppe sådanne defekter på. One idea is to stabilize the oxygen on the surface—to lock oxygen atoms into their rightful position more tightly and make them less likely to escape from the surface. Wang's team is exploring the use of molecules of zirconia to wield its chemical influence and act as a type of bodyguard to keep oxygen atoms in their proper positions. This would mean less loss of oxygen and would help keep the whole structure in order, allowing lithium ions to move back and forth with ease.