Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben het deeltjes-voor-deeltje-mechanisme bevestigd waarmee lithiumionen in en uit elektroden van lithiumijzerfosfaat (LiFePO ₄ , of LFP), bevindingen die kunnen leiden tot betere prestaties in lithium-ionbatterijen in elektrische voertuigen, medische apparatuur en vliegtuigen.

Het onderzoek wordt gerapporteerd in een artikel getiteld, "Intercalatiepad in veel-deeltjes LiFePO4-elektrode onthuld door Nanoscale State-of-Charge Mapping" in het tijdschrift Nano-letters , 2013, 13 (3), blz. 866-872. Auteurs zijn onder andere Sandia-fysicus Farid El Gabaly en William Chueh van Stanford University.

LFP, een natuurlijk mineraal van de olivijnfamilie, is een van de nieuwere materialen die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt en staat bekend als veiliger en duurzamer dan lithiumkobaltoxide (LiCoO ₂ ) verbinding gebruikt in smartphones, laptops en andere consumentenelektronica.

Hoewel LFP-materiaal om die redenen intrigerend is voor onderzoekers en batterijfabrikanten, het proces waarbij lithiumionen in en uit LFP bewegen terwijl de batterij zijn energie opslaat en vrijgeeft, is niet goed begrepen. Dit is een belemmering gebleken voor de wijdverbreide acceptatie van het materiaal.

Kathodematerialen zoals LFP zijn van cruciaal belang bij het zoeken naar hogere capaciteit, lang leven, lithium-ionbatterijen voor toepassingen waarbij batterijen niet zo gemakkelijk of zo vaak kunnen worden vervangen als in consumentenelektronica. Grotere toepassingen waarbij lithium-kobaltoxidecellen uiteindelijk kunnen worden vervangen door LFP-batterijen, zijn onder meer elektrische voertuigen en vliegtuigen.

Popcorn-achtige deeltjesbewegingen gezien via microscopietechniek

Door volledige batterijdoorsneden te observeren, de onderzoekers hebben belangrijke inzichten verschaft over een controverse over het proces dat de laad- en ontlaadsnelheden van de batterij beperkt.

Eerdere pogingen om de laad-/ontlaadsnelheid te optimaliseren, omvatten het coaten van de deeltjes om hun elektrische geleidbaarheid te vergroten en het verkleinen van de deeltjesgrootte om hun transformatie te versnellen, maar hebben het initiatieproces over het hoofd gezien, dat misschien wel de kritische snelheidsbeperkende stap is in de manier waarop lithium zich van de buitenkant van een deeltje naar zijn binnenkant verplaatst.

Door röntgenmicroscopie te gebruiken om ultradunne plakjes van een commerciële batterij te onderzoeken, Sandia-onderzoekers hebben bewijs gevonden dat opladen en ontladen in LFP wordt beperkt door de initiatie van fasetransformatie, of kiemvorming, en wordt niet beïnvloed door de deeltjesgrootte.

De LFP-elektrode vormt een mozaïek van homogene deeltjes die zich in een lithiumrijke of lithiumarme toestand bevinden. Het Sandia-onderzoek bevestigt de deeltjes-voor-deeltje, of mozaïek, route van fasetransformaties als gevolg van insertie van lithiumionen in de kathode. De bevindingen zijn in tegenspraak met eerdere veronderstellingen.

"Een propagatietheorie zei dat wanneer alle deeltjes werden blootgesteld aan lithium, ze zouden allemaal langzaam samen beginnen te ontladen in een gelijktijdige fasetransformatie, " zei El Gabaly. "We hebben nu gezien dat het proces meer op popcorn lijkt. Eén deeltje is volledig ontladen, dan de volgende, en ze gaan één voor één als popcorn, het lithium absorberen."

Snijden en snijden helpt bij het begrijpen van lithium-ion opladen

Lithium-ionen bewegen in en uit batterij-elektrodematerialen terwijl ze worden opgeladen en ontladen. Wanneer een oplaadbare lithium-ionbatterij wordt opgeladen, een externe spanningsbron onttrekt lithiumionen aan het kathodemateriaal (positieve elektrode), in een proces dat bekend staat als 'delithiatie'. De lithiumionen bewegen door de elektrolyt en worden ingevoegd (geïntercaleerd) in het anodemateriaal (negatieve elektrode), in een proces dat bekend staat als 'lithiatie'. Hetzelfde proces gebeurt omgekeerd bij het ontladen van energie uit de batterij.

"We zagen dat er maar twee fasen waren, waar het deeltje lithium had of niet, " zei El Gabaly. "In veel eerdere onderzoeken, onderzoekers hebben zich gericht op het begrijpen van het laadproces in één deeltje."

El Gabaly en zijn Sandia-collega's namen een plak die net iets dikker was dan een mensenhaar van een commerciële batterij, slechts één laag LFP-deeltjes, en bracht de locaties van het lithium in kaart in ongeveer 450 deeltjes toen de batterij zich in verschillende laadtoestanden bevond.

"Onze ontdekking werd mogelijk gemaakt door het lithium in een relatief groot deeltjesensemble in kaart te brengen, " hij zei.

veel gereedschap, faciliteiten dragen bij aan onderzoek

De onderzoekers waren in staat om een ​​commerciële knoopcelbatterij te bouwen van grondstoffen met behulp van Sandia's celbatterijprototypingfaciliteit in New Mexico, dat is de grootste faciliteit van het Department of Energy die is uitgerust om kleine hoeveelheden lithium-ioncellen te produceren. De batterij werd vervolgens opgeladen, getest op normaal gedrag, en gedemonteerd bij Sandia's Livermore, Californië, faciliteit door een nieuwe methode om lagen te snijden die de ruimtelijke ordening van de kathode tot de anode behouden.

De Sandia-onderzoekers gingen naar het Lawrence Berkeley National Laboratory om de materialen te karakteriseren met ultramoderne scanning-transmissie-röntgenmicroscopie (STXM) bij de Advanced Light Source (ALS), en keerde vervolgens terug naar Sandia's locatie in Californië voor onderzoek door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM).

"De röntgenspectroscopie van de ALS vertelt je wat er in een individueel deeltje zit, of waar het lithium is, maar het heeft een lage ruimtelijke resolutie. We hadden de elektronenmicroscopie van hetzelfde plakje nodig om ons te vertellen waar alle deeltjes waren verdeeld over de hele laag van de batterij, " zei Chueh, een voormalige Sandia Truman Fellow die hoofdauteur is van het tijdschriftartikel en een assistent-professor en center fellow bij het Precourt Institute of Energy aan de Stanford University.

Sandia's onderzoeksteam en anderen presenteerden hun technische bevindingen op de recente Materials Research Society Spring Meeting in San Francisco. Naar aanleiding van die presentatie El Gabaly zei:andere onderzoekers gebruiken de resultaten om theoretische modellen te valideren. Het team kan ook samenwerken met de industrie, aangezien een bedrijf al heeft aangegeven grote belangstelling te hebben voor Sandia om soortgelijke onderzoeken uit te voeren naar verschillende, complexere batterijmaterialen.