Sinds de ontdekking 15 jaar geleden, lithiumijzerfosfaat (LiFePO ₄ ) is een van de meest veelbelovende materialen voor oplaadbare batterijen geworden vanwege zijn stabiliteit, duurzaamheid, veiligheid en het vermogen om veel vermogen tegelijk te leveren. Het is de focus geweest van grote onderzoeksprojecten over de hele wereld, en een toonaangevende technologie die in alles wordt gebruikt, van elektrisch gereedschap tot elektrische voertuigen. Maar ondanks deze brede belangstelling, de redenen voor de ongebruikelijke laad- en ontlaadkarakteristieken van lithiumijzerfosfaat zijn onduidelijk gebleven.

Nutsvoorzieningen, onderzoek door MIT universitair hoofddocent chemische technologie en wiskunde Martin Z. Bazant heeft verrassende nieuwe resultaten opgeleverd die aantonen dat het materiaal zich heel anders gedraagt ​​dan werd gedacht, helpen de prestaties te verklaren en mogelijk de deur openen naar de ontdekking van nog effectievere batterijmaterialen.

De nieuwe inzichten in het gedrag van lithiumijzerfosfaat worden gedetailleerd beschreven in een artikel dat deze week in het tijdschrift verschijnt ACS Nano , geschreven door Bazant en postdoc Daniel Cogswell. De paper is een uitbreiding van onderzoek dat ze eind vorig jaar in het tijdschrift rapporteerden Nano-letters .

Toen het voor het eerst werd ontdekt, lithiumijzerfosfaat werd alleen nuttig geacht voor toepassingen met een laag vermogen. Vervolgens, latere ontwikkelingen - door onderzoekers, waaronder MIT's Yet-Ming Chiang, de Kyocera Professor of Ceramics - toonde aan dat zijn vermogen drastisch kan worden verbeterd door het in nanodeeltjesvorm te gebruiken, een aanpak die het tot een van de beste materialen maakte die bekend staan ​​voor toepassingen met hoog vermogen.

Maar de redenen waarom nanodeeltjes van LiFePO ₄ zo goed werkte, bleef ongrijpbaar. Er werd algemeen aangenomen dat tijdens het opladen of ontladen, het stortgoed scheidde zich in verschillende fasen met zeer verschillende concentraties lithium; deze fasescheiding, het was gedacht, beperkte het vermogen van het materiaal. Maar het nieuwe onderzoek toont aan dat, onder veel reële omstandigheden, deze scheiding gebeurt nooit.

De theorie van Bazant voorspelt dat boven een kritische stroom, de reactie is zo snel dat het materiaal zijn neiging tot fasescheiding verliest die optreedt bij lagere vermogensniveaus. Net onder de kritische stroom, het materiaal gaat door een nieuwe toestand van "quasi-vaste oplossing", waar het "geen tijd heeft om de fasescheiding te voltooien, " hij zegt. Deze eigenschappen helpen verklaren waarom dit materiaal zo goed is voor oplaadbare batterijen, hij zegt.

De bevindingen zijn het resultaat van een combinatie van theoretische analyse, computermodellering en laboratoriumexperimenten, Bazant legt uit - een interdisciplinaire benadering die zijn eigen gezamenlijke benoemingen in de afdelingen chemische technologie en wiskunde van het MIT weerspiegelt.

Eerdere analyses van dit materiaal hadden het gedrag ervan op een enkel moment onderzocht, de dynamiek van zijn gedrag negerend. Maar Bazant en Cogswell bestudeerden hoe het materiaal verandert tijdens gebruik, ofwel tijdens het opladen of ontladen van een batterij - en de veranderende eigenschappen ervan bleken in de loop van de tijd cruciaal te zijn om de prestaties ervan te begrijpen.

“Dit is nog niet eerder gedaan, ', zegt Bazant. Wat ze vonden, hij voegt toe, is een geheel nieuw fenomeen, en een die belangrijk kan zijn voor het begrijpen van de prestaties van veel batterijmaterialen - wat betekent dat dit werk aanzienlijk kan zijn, zelfs als lithiumijzerfosfaat uiteindelijk wordt opgegeven ten gunste van andere nieuwe materialen.

Onderzoekers hadden gedacht dat lithium geleidelijk van buiten naar binnen in de deeltjes dringt, het produceren van een krimpende kern van lithium-arm materiaal in het midden. Wat het MIT-team ontdekte, was heel anders:bij lage stroomsterkte, het lithium vormt rechte parallelle banden van verrijkt materiaal in elk deeltje, en de banden reizen over de deeltjes terwijl ze worden opgeladen. Maar bij hogere elektrische stroomniveaus, er is helemaal geen scheiding, hetzij in banden of in lagen; in plaats daarvan, elk deeltje neemt het lithium in één keer op, transformeren bijna onmiddellijk van lithiumarm naar lithiumrijk.

De nieuwe bevinding helpt ook de duurzaamheid van lithiumijzerfosfaat te verklaren. Wanneer er strepen van verschillende fasen aanwezig zijn, de grenzen tussen die strepen zijn een bron van spanning die barsten en een geleidelijke verslechtering van de prestaties kan veroorzaken. Maar als de hele stof ineens verandert, er zijn geen dergelijke grenzen en dus minder degradatie.

Dat is een ongebruikelijke bevinding, Bazant zegt:“Meestal, als je iets sneller doet, je doet meer schade, maar in dit geval is het het tegenovergestelde.” evenzo, hij en Cogswell voorspellen dat werken bij een iets hogere temperatuur het materiaal in feite langer zou doen meegaan, wat indruist tegen typisch materiaalgedrag.

Naast het zien hoe het materiaal in de loop van de tijd verandert, om te begrijpen hoe het werkt, moest je naar het materiaal kijken op schalen die anderen niet hadden onderzocht:hoewel er veel analyse was gedaan op het niveau van atomen en moleculen, het bleek dat de belangrijkste fenomenen alleen te zien waren op de schaal van de nanodeeltjes zelf, Bazant zegt - vele duizenden keren groter. “Het is een grootte-afhankelijk effect, " hij zegt.

Gerbrand Ceder, hoogleraar materiaalkunde aan het MIT, observeerde en schreef vorig jaar over het gedrag van lithiumijzerfosfaat bij hoge stroomniveaus; nu, Bazants theoretische analyse zou kunnen leiden tot een breder begrip van niet alleen dit materiaal, maar ook van anderen die soortgelijke veranderingen kunnen ondergaan.

Troy Farrell, een universitair hoofddocent wiskunde aan de Queensland University of Technology in Australië, die niet bij dit werk betrokken was, zegt dat deze bevindingen van groot belang zijn voor degenen die onderzoek doen naar lithiumbatterijen. Hij voegt eraan toe dat dit nieuwe begrip "materiaalwetenschappers in staat stelt nieuwe structuren en verbindingen te ontwikkelen die uiteindelijk leiden tot batterijen met een langere levensduur en een hogere energiedichtheid. Dit is wat nodig is als batterijtechnologie wordt gebruikt in krachtige toepassingen zoals elektrische voertuigen.”

Begrijpen waarom lithiumijzerfosfaat zo goed werkt, was "een van de meest interessante wetenschappelijke puzzels die ik ben tegengekomen, ', zegt Bazant. "Het heeft vijf jaar geduurd om dit uit te zoeken."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.