Verwacht wordt dat lithium-ionbatterijen tegen 2023 een wereldwijde marktwaarde van $ 47 miljard hebben. Ze worden in tal van toepassingen gebruikt, omdat ze een relatief hoge energiedichtheid bieden (opslagcapaciteit), hoge bedrijfsspanning, lange houdbaarheid en weinig "geheugeneffect" - een vermindering van de maximale capaciteit van een oplaadbare batterij als gevolg van onvolledige ontladingen bij eerder gebruik. Echter, factoren zoals veiligheid, laad-ontlaadcycli en de verwachte levensduur blijven de effectiviteit van lithium-ionbatterijen in zware toepassingen beperken, bijvoorbeeld voor het aandrijven van elektrische voertuigen.

Onderzoekers van de University of Virginia School of Engineering gebruiken neutronenbeeldvormingstechnieken in het Oak Ridge National Laboratory om lithium-ionbatterijen te onderzoeken en inzicht te krijgen in de elektrochemische eigenschappen van de materialen en structuren van de batterijen. Hun onderzoek, gepubliceerd in de Journal of Power Sources , gericht op het volgen van de lithiëring en delithiatie - of laad- en ontlaadprocessen in lithium-ionbatterijelektroden met behulp van dunne en dikke gesinterde monsters van twee elektroactieve materialen, lithiumtitanaat en lithiumkobaltoxide.

Begrijpen hoe het lithium in batterij-elektroden beweegt, is belangrijk bij het ontwerpen van batterijen die sneller kunnen opladen en ontladen. Bij sommige batterijen is dit het langzaamste proces, wat betekent dat het verbeteren van de lithiumbeweging door de elektroden ertoe kan leiden dat batterijen veel sneller kunnen worden opgeladen.

"Als elektroden relatief dik zijn, transport van lithiumionen door het poreuze materiaal en de separatorarchitectuur kan de laad- en ontlaadsnelheden beperken, " zei Gary Koenig, een universitair hoofddocent chemische technologie bij UVA Engineering. "Om methoden te ontwikkelen voor het verbeteren van het transport van lithiumionen door de poreuze lege gebieden van een elektrode gevuld met elektrolyt, we moeten eerst het transport en de distributie van de ionen in een cel kunnen volgen tijdens het laad- en ontlaadproces."

Volgens Koenig, andere technieken zoals röntgendiffractie met hoge resolutie kunnen gedetailleerde structurele gegevens opleveren tijdens elektrochemische processen, maar deze methode gemiddelden meestal relatief grote volumes van het materiaal. evenzo, Röntgenfasebeeldvorming kan zoutconcentraties in batterijelektrolyten visualiseren, maar de techniek vereist een speciale spectrochemische cel en heeft alleen toegang tot informatie over de samenstelling tussen de elektrodegebieden.

Om gedetailleerde informatie over een groter gebied te verkrijgen, de onderzoekers voerden hun studies uit met behulp van neutronen op de koude neutronenbeeldbundellijn in de High Flux Isotope Reactor van Oak Ridge.

"Lithium heeft een grote absorptiecoëfficiënt voor neutronen, wat betekent dat neutronen die door een materiaal gaan zeer gevoelig zijn voor de lithiumconcentraties, " zei Ziyang Nie, hoofdauteur en promovendus in de groep van Koenig. "We hebben aangetoond dat we neutronenröntgenfoto's kunnen gebruiken om in situ lithiëring te volgen in dunne en dikke metaaloxidekathoden in batterijcellen. Omdat neutronen zeer doordringend zijn, we hoefden geen aangepaste cellen te bouwen voor de analyse en waren in staat om het lithium te volgen over het hele actieve gebied dat zowel elektroden als elektrolyt bevat."

Het vergelijken van het lithiëringsproces in dunne en dikke elektroden is essentieel om inzicht te krijgen in de effecten van heterogeniteit - lokale variaties in mechanische, structureel, transport- en kinetische eigenschappen—op batterijduur en prestaties. Lokale heterogeniteit kan ook resulteren in niet-uniforme batterijstroom, temperaturen, staat van lading en veroudering. Typisch, naarmate de dikte van een elektrode toeneemt, hetzelfde geldt voor de nadelige effecten van heterogeniteit op de batterijprestaties. Nog, als dikkere anoden en kathoden in batterijen zouden kunnen worden gebruikt zonder andere factoren te beïnvloeden, het zou helpen de energieopslagcapaciteit te vergroten.

Voor de eerste experimenten, de dunne elektrodemonsters hadden een dikte van 0,738 mm voor lithiumtitanaat en 0,463 mm voor lithiumkobaltoxide, terwijl de dikke lithiumtitanaat- en lithiumkobaltoxidemonsters 0,886 mm en 0,640 mm waren, respectievelijk.

"Ons directe doel is om een ​​model te ontwikkelen om ons te helpen begrijpen hoe het wijzigen van de structuur van een elektrode, zoals het veranderen van de manier waarop het materiaal is georiënteerd of gedistribueerd, zou de ionentransporteigenschappen kunnen verbeteren, "Zei Koenig. "Door elk monster op verschillende tijdstippen in beeld te brengen, we waren in staat om 2D-kaarten van lithiumdistributie te maken. In de toekomst, we zijn van plan onze monsters binnen de neutronenbundel te roteren om 3D-informatie te verstrekken die in meer detail zal onthullen hoe heterogeniteit het ionentransport beïnvloedt."