De deeltjes waaruit lithium-ionbatterij-elektroden bestaan, zijn microscopisch maar krachtig:ze bepalen hoeveel lading de batterij kan opslaan, hoe snel het oplaadt en ontlaadt en hoe het in de loop van de tijd standhoudt - allemaal cruciaal voor hoge prestaties in een elektrisch voertuig of elektronisch apparaat.

Scheuren en chemische reacties op het oppervlak van een deeltje kunnen de prestaties verslechteren, en het vermogen van het hele deeltje om lithiumionen te absorberen en af ​​te geven, verandert ook in de loop van de tijd. Wetenschappers hebben beide bestudeerd, maar tot nu toe hadden ze nooit naar zowel het oppervlak als het binnenste van een individueel deeltje gekeken om te zien hoe wat in het ene deeltje gebeurt, het andere beïnvloedt.

In een nieuwe studie, een onderzoeksteam onder leiding van Yijin Liu van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy deed dat. Ze plakten een enkel kathodedeeltje in de batterij, ongeveer zo groot als een rode bloedcel, op een naaldpunt en onderzocht het oppervlak en de binnenkant in 3D met twee röntgeninstrumenten. Ze ontdekten dat barsten en chemische veranderingen op het oppervlak van het deeltje veel verschilden van plaats tot plaats en overeenkwamen met microscopisch kleine barsten diep in het deeltje die het vermogen om energie op te slaan ondermijnden.

"Onze resultaten laten zien dat het oppervlak en het binnenste van een deeltje met elkaar praten, in principe, " zei SLAC-hoofdwetenschapper Yijin Liu, die de studie leidde in de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) van het laboratorium. "Als we dit chemische gesprek begrijpen, kunnen we het hele deeltje ontwikkelen, zodat de batterij sneller kan fietsen. bijvoorbeeld."

De wetenschappers beschrijven hun bevindingen in Natuurcommunicatie vandaag.

Schade zowel binnen als buiten

Een lithium-ionbatterij slaat energie op en geeft deze weer af door lithiumionen door een elektrolyt heen en weer te bewegen tussen twee elektroden, de anode en de kathode. Wanneer u de batterij oplaadt, lithiumionen stromen de anode binnen voor opslag. Wanneer u de batterij gebruikt, de ionen verlaten de anode en stromen in de kathode, waar ze een stroom van elektrische stroom opwekken.

Elke elektrode bestaat uit vele microscopisch kleine deeltjes, en elk deeltje bevat nog kleinere korrels. Hun structuur en chemie zijn de sleutel tot de prestaties van de batterij. Naarmate de batterij oplaadt en ontlaadt, lithiumionen sijpelen in en uit de ruimten tussen de atomen van de deeltjes, waardoor ze zwellen en krimpen. Na verloop van tijd kan dit deeltjes barsten en breken, het verminderen van hun vermogen om ionen te absorberen en af ​​te geven. Deeltjes reageren ook met de omringende elektrolyt om een ​​oppervlaktelaag te vormen die het binnenkomen en verlaten van ionen in de weg staat. Naarmate er scheuren ontstaan, het elektrolyt dringt dieper door en beschadigt het interieur.

Deze studie richtte zich op deeltjes gemaakt van een nikkelrijk gelaagd oxide, die in theorie meer lading kan opslaan dan de huidige batterijmaterialen. Het bevat ook minder kobalt, waardoor het goedkoper en minder ethisch problematisch wordt, aangezien sommige kobaltmijnen onmenselijke omstandigheden met zich meebrengen, zei Liu.

Er is slechts één probleem:de capaciteit van de deeltjes om lading op te slaan neemt snel af tijdens meerdere rondes van hoogspanningsladen - het type dat wordt gebruikt om elektrische voertuigen snel op te laden.

"Je hebt miljoenen deeltjes in een elektrode. Elk is als een rijstbal met veel korrels, " zei Liu. "Het zijn de bouwstenen van de batterij, en elk is uniek, net zoals ieder mens andere eigenschappen heeft."

Een materiaal van de volgende generatie temmen

Liu zei dat wetenschappers hebben gewerkt aan twee basisbenaderingen om schade te minimaliseren en de prestaties van deeltjes te verbeteren:een beschermende coating op het oppervlak aanbrengen en de korrels op verschillende manieren samenpakken om de interne structuur te veranderen. "Beide benaderingen kunnen effectief zijn, "Lou zei, "maar ze combineren zou nog effectiever zijn, en daarom moeten we het grotere plaatje aanpakken."

Shaofeng Li, een bezoekende afgestudeerde student bij SSRL die zich bij SLAC zal voegen als postdoctoraal onderzoeker, geleide röntgenexperimenten die een enkel op een naald gemonteerd kathodedeeltje uit een geladen batterij onderzochten met twee instrumenten - een die het oppervlak scande, de andere onderzoekt het interieur. Op basis van de resultaten, theoretici onder leiding van Kejie Zhao, een universitair hoofddocent aan de Purdue University, ontwikkelde een computermodel dat laat zien hoe opladen het deeltje over een periode van 12 minuten zou hebben beschadigd en hoe dat schadepatroon de interacties tussen het oppervlak en het interieur weerspiegelt.

"Het beeld dat we krijgen is dat er overal variaties in het deeltje zijn, " zei Liu. "Bijvoorbeeld, bepaalde gebieden op het oppervlak degraderen meer dan andere, en dit beïnvloedt hoe het interieur reageert, waardoor het oppervlak op een andere manier degradeert."

Nutsvoorzieningen, hij zei, het team is van plan deze techniek toe te passen op andere elektrodematerialen die ze in het verleden hebben bestudeerd, met bijzondere aandacht voor de invloed van de laadsnelheid op schadepatronen. "U wilt uw elektrische auto in 10 minuten kunnen opladen in plaats van enkele uren, " hij zei, "Dit is dus een belangrijke richting voor vervolgonderzoek."