Hoogwaardige elektroden voor lithium-ionbatterijen kunnen worden verbeterd door meer aandacht te besteden aan hun defecten - en erop in te spelen, volgens wetenschappers van Rice University.

Rijstmateriaalwetenschapper Ming Tang en chemici Song Jin van de Universiteit van Wisconsin-Madison en Linsen Li in Wisconsin en het Massachusetts Institute of Technology leidden een onderzoek dat de nieuwste, in situ röntgenspectroscopie en modellering om inzicht te krijgen in lithiumtransport in batterijkathoden. Ze ontdekten dat een veelgebruikt kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen, olivijn lithium ijzerfosfaat, maakt lithiumionen vrij of neemt deze op via een veel groter oppervlak dan eerder werd gedacht.

"We weten dat dit materiaal heel goed werkt, maar er is nog steeds veel discussie over waarom, " zei Tang. "In veel opzichten, dit materiaal hoort niet zo goed te zijn, maar op de een of andere manier overtreft het de verwachtingen van mensen."

Een deel van de reden, Tang zei, komt van puntdefecten - atomen die misplaatst zijn in het kristalrooster - bekend als antisietdefecten. Dergelijke defecten zijn onmogelijk volledig te elimineren in het fabricageproces. Zoals het blijkt, hij zei, ze zorgen ervoor dat elektrodematerialen uit de echte wereld zich heel anders gedragen dan perfecte kristallen.

Dat en andere onthullingen in a Natuurcommunicatie papier kan fabrikanten mogelijk helpen betere lithium-ionbatterijen te ontwikkelen die elektronische apparaten over de hele wereld van stroom voorzien.

De hoofdauteurs van de studie - Liang Hong van Rice en Li van Wisconsin en MIT - en hun collega's werkten samen met wetenschappers van het Department of Energy van het Brookhaven National Laboratory om de krachtige synchrotron-lichtbronnen te gebruiken en in realtime te observeren wat er in het batterijmateriaal gebeurt wanneer het wordt in rekening gebracht. Ze gebruikten ook computersimulaties om hun waarnemingen te verklaren.

Een openbaring, Tang zei, was dat microscopische defecten in elektroden een kenmerk zijn, geen bug.

"Mensen denken meestal dat defecten een slechte zaak zijn voor batterijmaterialen, dat ze eigenschappen en prestaties vernietigen, " zei hij. "Met de toenemende hoeveelheid bewijs, we realiseerden ons dat het hebben van een geschikte hoeveelheid puntdefecten eigenlijk een goede zaak kan zijn."

Binnen een defectvrije, perfect kristalrooster van een lithiumijzerfosfaatkathode, lithium kan maar in één richting bewegen, zei Tang. Daarom, er wordt aangenomen dat de lithiumintercalatiereactie slechts over een fractie van het oppervlak van het deeltje kan plaatsvinden.

Maar het team deed een verrassende ontdekking bij het analyseren van Li's röntgenspectroscopische beelden:de oppervlaktereactie vindt plaats aan de grote kant van zijn onvolmaakte, gesynthetiseerde microstaafjes, die theoretische voorspellingen tegengaat dat de zijkanten inactief zouden zijn omdat ze evenwijdig zijn aan de waargenomen beweging van lithium.

De onderzoekers legden uit dat deeltjesdefecten de lithiumtransporteigenschappen van de elektrode fundamenteel veranderen en ervoor zorgen dat lithium in meer dan één richting in de kathode kan springen. Dat vergroot het reactieve oppervlak en zorgt voor een efficiëntere uitwisseling van lithiumionen tussen de kathode en elektrolyt.

Omdat de kathode in deze studie is gemaakt met een typische synthesemethode, Tang zei, de bevinding is zeer relevant voor praktische toepassingen.

"Wat we hebben geleerd, verandert het denken over hoe de vorm van lithiumijzerfosfaatdeeltjes moet worden geoptimaliseerd, " zei hij. "Ervan uitgaande dat eendimensionale lithiumbeweging, mensen hebben de neiging om te geloven dat de ideale deeltjesvorm een ​​dunne plaat zou moeten zijn, omdat het de afstand die lithium nodig heeft om in die richting te reizen verkleint en tegelijkertijd het reactieve oppervlak maximaliseert. Maar zoals we nu weten dat lithium in meerdere richtingen kan bewegen, dankzij gebreken, de ontwerpcriteria om de prestaties te maximaliseren zullen er zeker heel anders uitzien."

De tweede verrassende observatie, Tang zei, heeft te maken met de beweging van fasegrenzen in de kathode als deze wordt geladen en ontladen.

"Als je warmte uit water haalt, het verandert in ijs, "zei hij. "En als je lithium uit deze deeltjes haalt, het vormt een andere lithiumarme fase, zoals ijs, die naast de initiële lithiumrijke fase bestaat." De fasen worden gescheiden door een interface, of een fasegrens. Hoe snel het lithium kan worden geëxtraheerd, hangt af van hoe snel de fasegrens over een deeltje beweegt, hij zei.

In tegenstelling tot bulkmaterialen, Tang legde uit, er is voorspeld dat de beweging van de fasegrens in kleine batterijdeeltjes kan worden beperkt door de oppervlaktereactiesnelheid. De onderzoekers waren in staat om het eerste concrete bewijs te leveren voor dit oppervlaktereactie-gecontroleerde mechanisme, maar met een twist.

"We zien de fasegrens in twee verschillende richtingen bewegen door twee verschillende mechanismen, ofwel gecontroleerd door oppervlaktereactie of lithium bulk diffusie, " zei hij. "Dit hybride mechanisme schetst een ingewikkelder beeld over hoe fasetransformatie plaatsvindt in batterijmaterialen. Omdat het in een grote groep elektrodematerialen kan plaatsvinden, deze ontdekking is van fundamenteel belang voor het begrijpen van de batterijprestaties en benadrukt het belang van het verbeteren van de oppervlaktereactiesnelheid."