De eerste uren van de levensduur van een lithium-ionbatterij bepalen grotendeels hoe goed deze zal presteren. Op die momenten, een set moleculen assembleert zichzelf tot een structuur in de batterij die de batterij jarenlang zal beïnvloeden.

Dit onderdeel, bekend als de vaste-elektrolyt interfase of SEI, heeft de cruciale taak om sommige deeltjes te blokkeren en andere door te laten, als een uitsmijter van een taverne die ongewenste dingen afwijst terwijl hij de glitterati toelaat. De structuur is een raadsel voor wetenschappers die het decennialang hebben bestudeerd. Onderzoekers hebben meerdere technieken aangeboord om meer te leren, maar tot nu toe waren ze nooit getuige geweest van de creatie ervan op moleculair niveau.

Meer weten over de SEI is een cruciale stap op weg naar het creëren van meer energieke, duurzamere en veiligere lithium-ionbatterijen.

Het werk gepubliceerd op 27 januari in Natuur Nanotechnologie werd uitgevoerd door een internationaal team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger. Corresponderende auteurs zijn onder meer Zihua Zhu, Chongmin Wang en Zhijie Xu van PNNL en Kang Xu van het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger.

Waarom lithium-ionbatterijen überhaupt werken:de SEI

De vast-elektrolyt-interfase is een zeer dunne film van materiaal die niet bestaat wanneer een batterij voor het eerst wordt gebouwd. Alleen wanneer de batterij voor de allereerste keer wordt opgeladen, aggregeren moleculen en reageren ze elektrochemisch om de structuur te vormen, die fungeert als een toegangspoort waardoor lithiumionen heen en weer kunnen gaan tussen de anode en de kathode. Cruciaal, de SEI dwingt elektronen om een ​​omweg te maken, waardoor de batterij blijft werken en energieopslag mogelijk wordt.

Het is vanwege de SEI dat we lithium-ionbatterijen hebben om onze mobiele telefoons van stroom te voorzien, laptops en elektrische voertuigen.

Maar wetenschappers moeten meer weten over deze gateway-structuur. Welke factoren onderscheiden de glitterati van het gespuis in een lithium-ionbatterij? Welke chemicaliën moeten in de elektrolyt worden opgenomen, en in welke concentraties, voor de moleculen om zichzelf te vormen tot de meest bruikbare SEI-structuren, zodat ze niet voortdurend moleculen uit de elektrolyt opzuigen, nadelige batterijprestaties?

Wetenschappers werken met verschillende ingrediënten, voorspellen hoe ze zullen combineren om de beste structuur te creëren. Maar zonder meer kennis over hoe de vast-elektrolyt interfase ontstaat, wetenschappers zijn als koks die met ingrediënten jongleren, werken met kookboeken die slechts gedeeltelijk geschreven zijn.

Lithium-ionbatterijen verkennen met nieuwe technologie

Om wetenschappers te helpen de SEI beter te begrijpen, het team gebruikte de gepatenteerde technologie van PNNL om de structuur te analyseren zoals deze is gemaakt. Wetenschappers gebruikten een energetische ionenstraal om in een werkende batterij te tunnelen naar een net-vormende SEI, een deel van het materiaal de lucht in sturen en het vastleggen voor analyse, terwijl het vertrouwt op oppervlaktespanning om de vloeibare elektrolyt te helpen vasthouden. Vervolgens analyseerde het team de SEI-componenten met behulp van een massaspectrometer.

De gepatenteerde aanpak, bekend als in situ vloeibare secundaire ionenmassaspectrometrie of vloeibare SIMS, stelde het team in staat om een ​​ongekende kijk te krijgen op de SEI zoals deze werd gevormd en om problemen te omzeilen die werden gepresenteerd door een werkende lithium-ionbatterij. De technologie is gemaakt door een team onder leiding van Zhu, voortbouwend op eerder SIMS-werk van PNNL-collega Xiao-Ying Yu.

"Onze technologie geeft ons een solide wetenschappelijk inzicht in de moleculaire activiteit in deze complexe structuur, " zei Zhu. "De bevindingen kunnen anderen mogelijk helpen de chemie van de elektrolyt en elektroden aan te passen om betere batterijen te maken."

Onderzoekers van het Amerikaanse leger en PNNL werken samen

Het PNNL-team verbonden met Kang Xu, een research fellow bij het U.S. Army Research Laboratory en een expert op het gebied van elektrolyt en de SEI, en samen pakten ze de vraag aan.

De wetenschappers bevestigden wat onderzoekers vermoedden:dat de SEI uit twee lagen bestaat. Maar het team ging veel verder, het specificeren van de precieze chemische samenstelling van elke laag en het bepalen van de chemische stappen die in een batterij plaatsvinden om de structuur tot stand te brengen.

Het team ontdekte dat één laag van de structuur, naast de anode, is dun maar dicht; dit is de laag die elektronen afstoot maar lithiumionen doorlaat. De buitenste laag, vlak naast de elektrolyt, is dikker en bemiddelt interacties tussen de vloeistof en de rest van de SEI. De binnenste laag is wat harder en de buitenste is later vloeibaarder, een beetje zoals het verschil tussen niet gaar en te gaar havermout.

De rol van lithiumfluoride

Een resultaat van het onderzoek is een beter begrip van de rol van lithiumfluoride in de elektrolyt die wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen. Verschillende onderzoekers, inclusief Kang Xu, hebben aangetoond dat batterijen met SEI's die rijker zijn aan lithiumfluoride beter presteren. Het team liet zien hoe lithiumfluoride onderdeel wordt van de binnenste laag van de SEI, en de bevindingen bieden aanwijzingen over hoe meer fluor in de structuur kan worden opgenomen.

"Met deze techniek je leert niet alleen welke moleculen aanwezig zijn, maar ook hoe ze zijn gestructureerd, ", zegt Wang. "Dat is het mooie van deze technologie."