Hier is een geval waarbij omleidingen het verkeer versnellen. Het resultaat kan betere batterijen zijn voor transport, elektronica en opslag van zonne-energie.

Wetenschappers van de Brown School of Engineering van Rice University hebben ontdekt dat het plaatsen van specifieke defecten in het kristalrooster van op lithiumijzerfosfaat gebaseerde kathoden de wegen verbreedt waardoor lithiumionen reizen. Hun theoretische berekeningen zouden de prestaties tot twee ordes van grootte kunnen verbeteren en de weg wijzen naar vergelijkbare verbeteringen in andere soorten batterijen.

deze gebreken, bekend als antisieten, worden gevormd wanneer atomen op de verkeerde posities op het rooster worden geplaatst, dat wil zeggen, wanneer ijzeratomen op de plaatsen zitten die door lithium zouden moeten worden ingenomen. Antisite-defecten belemmeren de beweging van lithium in het kristalrooster en worden meestal als nadelig voor de batterijprestaties beschouwd.

In het geval van lithiumijzerfosfaat, echter, de Rice-onderzoekers ontdekten dat ze veel omwegen creëren binnen de kathode en lithiumionen in staat stellen het reactiefront over een groter oppervlak te bereiken, die helpt bij het verbeteren van de laad- of ontlaadsnelheid van de batterijen.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Nature Computermaterialen .

Lithiumijzerfosfaat is een veelgebruikt kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen en dient ook als een goed modelsysteem voor het bestuderen van de fysica die ten grondslag ligt aan het batterijcyclusproces, zei Rice materiaalwetenschapper Ming Tang, die het onderzoek deed met alumnus Liang Hong, nu onderzoeker bij MathWorks, en afgestudeerde student Kaiqi Yang.

Na het inbrengen van lithium, de kathode verandert van een lithiumarme fase naar een lithiumrijke fase, zei Tang, een assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering. Wanneer de oppervlaktereactiekinetiek traag is, lithium kan alleen in lithiumijzerfosfaat worden ingebracht binnen een smal oppervlaktegebied rond de fasegrens - de "weg" - een fenomeen dat de snelheid beperkt waarmee de batterij kan worden opgeladen.

"Als er geen gebreken zijn, lithium kan alleen dit kleine gebied rond de fasegrens binnenkomen, "zei hij. "Echter, antisite-defecten kunnen ervoor zorgen dat lithiuminvoeging gelijkmatiger over het oppervlak plaatsvindt, en dus zou de grens sneller bewegen en zou de batterij sneller opladen.

"Als je de defectvrije kathode dwingt om snel op te laden door een hoge spanning aan te leggen, er zal een zeer hoge lokale lithiumflux aan het oppervlak zijn en dit kan schade aan de kathode veroorzaken, " zei hij. "Dit probleem kan worden opgelost door defecten te gebruiken om de flux over het gehele kathodeoppervlak te verspreiden."

Het gloeien van het materiaal - verhitten zonder het te verbranden - zou kunnen worden gebruikt om de concentratie van defecten te beheersen. Tang zei dat defecten het ook mogelijk zouden maken om grotere kathodedeeltjes dan kristallen op nanoschaal te gebruiken om de energiedichtheid te helpen verbeteren en oppervlaktedegradatie te verminderen.

"Een interessante voorspelling van het model is dat deze optimale defectconfiguratie afhangt van de vorm van de deeltjes, " hij zei, "We zagen dat facetten van een bepaalde oriëntatie de omwegen effectiever konden maken bij het transporteren van lithiumionen. Daarom, je zult meer van deze facetten op het kathodeoppervlak willen hebben."

Tang zei dat het model kan worden toegepast als een algemene strategie om faseveranderende batterijsamenstellingen te verbeteren.

"Voor constructiematerialen zoals staal en keramiek, mensen spelen de hele tijd met gebreken om materialen sterker te maken, " zei hij. "Maar we hebben niet veel gesproken over het gebruik van defecten om betere batterijmaterialen te maken. Gebruikelijk, mensen zien gebreken als ergernissen die moeten worden weggenomen.

"Maar we denken dat we gebreken in vrienden kunnen veranderen, geen vijanden, voor een betere energieopslag."