Terwijl gastanks binnen enkele minuten kunnen worden gevuld, het opladen van de batterij van een elektrische auto duurt veel langer. Om het speelveld gelijk te maken en elektrische voertuigen aantrekkelijker te maken, wetenschappers werken aan snellaadtechnologieën.

Snelladen is erg belangrijk voor elektrische voertuigen, ", zei batterijwetenschapper Daniel Abraham van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "We willen de batterij van een elektrische auto in minder dan 15 minuten kunnen opladen, en zelfs sneller als het kan."

"Door precies te zien hoe het lithium in de elektrode is verdeeld, we krijgen het vermogen om nauwkeurig de inhomogene manier te bepalen waarop een batterij veroudert." - Daniel Abraham, Argonne batterij wetenschapper

Het belangrijkste probleem met snelladen doet zich voor tijdens het transport van lithiumionen van de positieve kathode naar de negatieve anode. Als de batterij langzaam wordt opgeladen, de lithiumionen die uit de kathode worden geëxtraheerd, vallen geleidelijk tussen de vlakken van koolstofatomen die de grafietanode vormen - een proces dat bekend staat als lithiumintercalatie.

Maar wanneer dit proces wordt versneld, lithium kan uiteindelijk neerslaan op het oppervlak van het grafiet als metaal, wat lithiumplating wordt genoemd. ?"Wanneer dit gebeurt, de prestaties van de batterij lijden dramatisch, omdat het geplateerde lithium niet van de ene elektrode naar de andere kan worden verplaatst, ' zei Abraham.

Volgens Abraham, dit lithiummetaal zal de elektrolyt van de batterij chemisch verminderen, waardoor de vorming van een vast-elektrolyt interfase wordt veroorzaakt die lithiumionen bindt, zodat ze niet tussen de elektroden kunnen worden gependeld. Als resultaat, er kan na verloop van tijd minder energie in de batterij worden opgeslagen.

Om de beweging van lithiumionen in de batterij te bestuderen, Abraham werkte samen met postdoctoraal onderzoeker Koffi Pierre Yao en Argonne röntgenfysicus John Okasinski bij de Advanced Photon Source van het laboratorium, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Daar, Okasinski creëerde in wezen een 2D-beeld van de batterij door röntgenstralen te gebruiken om elke fase van gelithieerd grafiet in de anode in beeld te brengen.

Door deze visie te krijgen, de onderzoekers waren in staat om de hoeveelheid lithium in verschillende delen van de anode tijdens het opladen en ontladen van de batterij nauwkeurig te kwantificeren.

In de studie, de wetenschappers stelden vast dat het lithium zich ophoopt in gebieden die zich dichter bij de afscheider van de batterij bevinden onder snelladende omstandigheden.

"Dat zou je uit gezond verstand kunnen verwachten, "Abraham legde uit. "Maar door precies te zien hoe het lithium in de elektrode wordt verdeeld, we krijgen de mogelijkheid om de inhomogene manier waarop een batterij veroudert nauwkeurig te bepalen."

Om selectief een bepaald gebied in het hart van de batterij te zien, de onderzoekers gebruikten een techniek die energiedispersieve röntgendiffractie wordt genoemd. In plaats van de hoek van de straal te variëren om bepaalde interessegebieden te bereiken, de onderzoekers varieerden de golflengte van het invallende licht.

Door gebruik te maken van röntgenstralen, De wetenschappers van Argonne waren in staat om de kristalstructuren in de grafietlagen te bepalen. Omdat grafiet een kristallijn materiaal is, het inbrengen van lithium zorgt ervoor dat het grafietrooster in verschillende mate uitzet. Deze zwelling van de lagen is merkbaar als een verschil in de diffractiepieken, Okasinski zei, en de intensiteiten van deze pieken geven het lithiumgehalte in het grafiet.

Hoewel dit onderzoek zich richt op kleine knoopcelbatterijen, Okasinski zei dat toekomstige studies het lithiëringsgedrag in grotere zakcelbatterijen zouden kunnen onderzoeken, zoals die gevonden worden in smartphones en elektrische voertuigen.

Een paper gebaseerd op de studie, "Het kwantificeren van lithiumconcentratiegradiënten in de grafietelektrode van lithium-ioncellen met behulp van operando-energiedispersieve röntgendiffractie, " verscheen in het online nummer van 9 januari van Energie- en milieuwetenschappen .