In de afgelopen drie decennia is lithium-ion batterijen, oplaadbare batterijen die lithiumionen heen en weer bewegen om op te laden en te ontladen, hebben kleinere apparaten mogelijk gemaakt die sneller werken en langer meegaan.

Nutsvoorzieningen, Röntgenexperimenten in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben aangetoond dat de paden die lithiumionen door een gewoon batterijmateriaal nemen complexer zijn dan eerder werd gedacht. De resultaten corrigeren meer dan twee decennia aan aannames over het materiaal en zullen het batterijontwerp helpen verbeteren, mogelijk leidend tot een nieuwe generatie lithium-ionbatterijen.

Een internationaal team van onderzoekers, onder leiding van William Chueh, een faculteitswetenschapper bij SLAC's Stanford Institute for Materials &Energy Sciences en een Stanford-professor materiaalwetenschappen, publiceerde deze bevindingen vandaag in Natuurmaterialen .

"Voordat, het was een soort zwarte doos, " zei Martin Bazant, een professor aan het Massachusetts Institute of Technology en een andere leider van de studie. "Je kon zien dat het materiaal vrij goed werkte en bepaalde toevoegingen leken te helpen, maar je kon niet precies zeggen waar de lithiumionen heen gaan in elke stap van het proces. Je zou alleen kunnen proberen een theorie te ontwikkelen en terug te werken vanuit metingen. Met nieuwe instrumenten en meettechnieken, we beginnen een meer rigoureus wetenschappelijk begrip te krijgen van hoe deze dingen echt werken."

Het 'popcorneffect'

Iedereen die in een elektrische bus heeft gereden, met elektrisch gereedschap heeft gewerkt of een draadloze stofzuiger heeft gebruikt, heeft waarschijnlijk de vruchten geplukt van het batterijmateriaal dat ze hebben bestudeerd, lithiumijzerfosfaat. Het kan ook worden gebruikt voor de start-stopfunctie in auto's met verbrandingsmotoren en voor opslag van wind- en zonne-energie in elektriciteitsnetten. Een beter begrip van dit materiaal en andere soortgelijke materialen kan leiden tot sneller opladen, batterijen die langer meegaan en duurzamer zijn. Maar tot voor kort, onderzoekers konden alleen maar raden naar de mechanismen die het mogelijk maken om te werken.

Wanneer lithium-ionbatterijen worden opgeladen en ontladen, de lithiumionen stromen van een vloeibare oplossing naar een vast reservoir. Maar eenmaal in de vaste, het lithium kan zichzelf herschikken, soms waardoor het materiaal in twee verschillende fasen wordt gesplitst, net zoals olie en water scheiden wanneer ze met elkaar worden gemengd. Dit veroorzaakt wat Chueh een 'popcorneffect' noemt. De ionen klonteren samen tot hete plekken die de levensduur van de batterij verkorten.

In dit onderzoek, onderzoekers gebruikten twee röntgentechnieken om de innerlijke werking van lithium-ionbatterijen te onderzoeken. Bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) kaatsten ze röntgenstralen van een monster lithiumijzerfosfaat om de atomaire en elektronische structuur te onthullen, waardoor ze een idee kregen van hoe de lithiumionen zich in het materiaal voortbewogen. Bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), ze gebruikten röntgenmicroscopie om het proces te vergroten, waardoor ze in kaart kunnen brengen hoe de concentratie van lithium in de loop van de tijd verandert.

Stroomopwaarts zwemmen

Eerder, onderzoekers dachten dat lithiumijzerfosfaat een eendimensionale geleider was, wat betekent dat lithiumionen slechts in één richting door het grootste deel van het materiaal kunnen reizen, zoals zalm die stroomopwaarts zwemt.

Maar terwijl ze hun gegevens doorzoeken, de onderzoekers merkten dat lithium zich op het oppervlak van het materiaal in een heel andere richting bewoog dan je op basis van eerdere modellen zou verwachten. Het was alsof iemand een blad op het oppervlak van de beek had gegooid en ontdekte dat het water in een heel andere richting stroomde dan de zwemmende zalm.

Ze werkten met Saiful Islam, een professor scheikunde aan de Universiteit van Bath, VK, om computermodellen en simulaties van het systeem te ontwikkelen. Die onthulden dat lithiumionen in twee extra richtingen op het oppervlak van het materiaal bewogen, waardoor lithiumijzerfosfaat een driedimensionale geleider wordt.

"Zoals het blijkt, deze extra paden zijn problematisch voor het materiaal, het bevorderen van het popcorn-achtige gedrag dat leidt tot het falen ervan, Chueh zei. "Als lithium kan worden gemaakt om langzamer te bewegen op het oppervlak, het zal de batterij veel uniformer maken. Dit is de sleutel tot het ontwikkelen van batterijen met hogere prestaties en een langere levensduur."

Een nieuwe grens in batterijtechniek

Hoewel lithiumijzerfosfaat al twee decennia bestaat, de mogelijkheid om het op nanoschaal en tijdens batterijgebruik te bestuderen was pas een paar jaar geleden mogelijk.

"Dit verklaart hoe zo'n cruciale eigenschap van het materiaal zo lang onopgemerkt is gebleven, " zei Yiyang Li, die het experimentele werk leidde als een afgestudeerde student en postdoctoraal onderzoeker aan Stanford en SLAC. "Met nieuwe technologieën, er zijn altijd nieuwe en interessante eigenschappen te ontdekken over materialen waardoor je er een beetje anders over gaat denken."

Dit werk is een van de eerste papers die voortkomen uit een samenwerking tussen Bazant, Chueh en verschillende andere wetenschappers als onderdeel van een door Toyota Research Institute gefinancierd onderzoekscentrum dat theorie en machine learning gebruikt om geavanceerde experimenten te ontwerpen en interpreteren.

Deze meest recente bevindingen, Bazant zei, een complexer verhaal creëren dat theoretici en ingenieurs in toekomstig werk zullen moeten overwegen.

"Het bouwt verder het argument op dat het ontwerpen van de oppervlakken van lithium-ionbatterijen echt de nieuwe grens is, " zei hij. "We hebben al enkele van de beste bulkmaterialen ontdekt en ontwikkeld. En we hebben gezien dat lithium-ionbatterijen nog steeds in een vrij opmerkelijk tempo vorderen:ze worden steeds beter en beter. Dit onderzoek maakt de gestage vooruitgang mogelijk van een beproefde technologie die echt werkt. We bouwen voort op een belangrijk stukje kennis dat kan worden toegevoegd aan de toolkit van batterij-ingenieurs terwijl ze proberen betere materialen te ontwikkelen."

Verschillende schalen overspannen

Om dit onderzoek op te volgen, zullen de onderzoekers modellering blijven combineren, simulatie en experimenten om fundamentele vragen over batterijprestaties op veel verschillende lengte- en tijdschalen te begrijpen met faciliteiten zoals SLAC's Linac Coherent Light Source, of LCLS, waar onderzoekers enkele ionische hops kunnen onderzoeken die plaatsvinden op tijdschalen zo snel als een biljoenste van een seconde.

"Een van de obstakels voor de ontwikkeling van lithium-ionbatterijtechnologieën is de enorme hoeveelheid lengte- en tijdschalen die ermee gemoeid zijn, "Zei Chueh. "Belangrijke processen kunnen in een fractie van een seconde of over vele jaren plaatsvinden. Het pad voorwaarts vereist het in kaart brengen van deze processen op lengtes die gaan van meters helemaal naar beneden tot de beweging van atomen. Bij SLAC, we bestuderen batterijmaterialen op al deze schalen. Door dat te combineren met modellering en experiment is dit begrip echt mogelijk gemaakt."