Opzettelijke defecten in batterijen hebben wetenschappers van de Rice University een kijkje gegeven in de gevaren van het te ver duwen van lithium-ioncellen.

Nieuwe simulaties door Rice-materiaalwetenschapper Ming Tang en afgestudeerde student Kaiqi Yang, gedetailleerd in de Journal of Materials Chemistry A , vertoont te veel spanning in veelgebruikte lithiumijzerfosfaat kathoden kunnen scheuren openen en batterijen snel verslechteren.

Het werk vormt een aanvulling op recent Rice-onderzoek dat aantoonde hoe het aanbrengen van defecten in deeltjes waaruit de kathode bestaat, de batterijprestaties met maximaal twee ordes van grootte zou kunnen verbeteren door lithium efficiënter te laten bewegen.

Maar de daaropvolgende modelstudie van het laboratorium onthulde een waarschuwing. Onder de druk van snel laden en ontladen, defect-beladen kathoden risico op breuk.

"Het conventionele beeld is dat lithium uniform in de kathode beweegt, met een lithiumrijk gebied dat soepel uitbreidt naar het centrum van de kathode, " zei Tang, een assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering aan de Brown School of Engineering van Rice.

Maar röntgenfoto's die in een ander laboratorium werden genomen, lieten iets anders zien. "Ze zagen een vingerachtige grens tussen de lithiumrijke en lithiumarme regio's, bijna zoals wanneer je water in olie injecteert, "zei hij. "Onze vraag was, wat veroorzaakt dit?"

De wortel van het probleem lijkt te zijn dat stress de aanvankelijk vlakke grens destabiliseert en ervoor zorgt dat deze golvend wordt, zei Tang. De verandering in de vorm van de grens verhoogt het spanningsniveau verder en veroorzaakt scheurvorming. De studie van Tang's groep laat zien dat een dergelijke instabiliteit kan worden vergroot door een veelvoorkomend type defect in batterijverbindingen, antisites genaamd, waar ijzeratomen plaatsen in het kristal bezetten waar lithiumatomen zouden moeten zijn.

"Antisieten kunnen een goede zaak zijn, zoals we in het vorige artikel lieten zien, omdat ze de lithium-intercalatiekinetiek versnellen, "Tang zei, "Maar hier laten we een tegeneffect zien:te veel antisites in de deeltjes moedigen de bewegende interface aan om onstabiel te worden en daardoor meer stress te genereren."

Tang gelooft dat er een goede plek is voor het aantal antisites in een kathode:genoeg om de prestaties te verbeteren, maar te weinig om instabiliteit te bevorderen. "U wilt een passend niveau van defecten hebben, en het zal wat vallen en opstaan ​​​​vereisen om erachter te komen hoe je de juiste hoeveelheid kunt bereiken door de deeltjes te gloeien, " zei hij. "We denken dat onze nieuwe voorspellingen nuttig kunnen zijn voor experimentatoren."