Nieuwe waarnemingen door onderzoekers van MIT hebben de innerlijke werking onthuld van een type elektrode dat veel wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen. De nieuwe bevindingen verklaren het onverwacht hoge vermogen en de lange levensduur van dergelijke batterijen, zeggen de onderzoekers.

De bevindingen verschijnen in een paper in het tijdschrift Nano-letters co-auteur van MIT-postdoc Jun Jie Niu, onderzoekswetenschapper Akihiro Kushima, professoren Yet-Ming Chiang en Ju Li, en drie anderen.

Het bestudeerde elektrodemateriaal, lithiumijzerfosfaat (LiFePO4), wordt beschouwd als een bijzonder veelbelovend materiaal voor oplaadbare batterijen op lithiumbasis; het is al aangetoond in toepassingen variërend van elektrisch gereedschap tot elektrische voertuigen tot grootschalige netopslag. De MIT-onderzoekers ontdekten dat in deze elektrode, tijdens het opladen, een vaste-oplossingszone (SSZ) vormt zich op de grens tussen lithiumrijke en lithiumarme gebieden - het gebied waar de oplaadactiviteit is geconcentreerd, omdat lithiumionen uit de elektrode worden getrokken.

Li zegt dat deze SSZ "theoretisch voorspeld is te bestaan, maar we zien het voor het eerst direct, " in transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) video's gemaakt tijdens het opladen.

De waarnemingen helpen bij het oplossen van een al lang bestaande puzzel over LiFePO4:in bulkkristalvorm, zowel lithiumijzerfosfaat als ijzerfosfaat (FePO4, die achterblijft als lithiumionen tijdens het opladen uit het materiaal migreren) hebben een zeer slechte ionische en elektrische geleidbaarheid. Maar wanneer het wordt behandeld - met doping en koolstofcoating - en als nanodeeltjes in een batterij wordt gebruikt, het materiaal vertoont een indrukwekkend hoge oplaadsnelheid. "Het was nogal verrassend toen deze [snelle laad- en ontlaadsnelheid] voor het eerst werd aangetoond, "zegt Li.

"We hebben direct een metastabiele willekeurige vaste oplossing waargenomen die dit fundamentele probleem kan oplossen dat [materiaalwetenschappers] al vele jaren intrigeert, " zegt Li, de Battelle Energy Alliance-hoogleraar Nuclear Science and Engineering en een professor in materiaalwetenschappen en engineering.

De SSZ is een "metastabiele" toestand, minstens enkele minuten aanhouden bij kamertemperatuur. Het vervangen van een scherpe interface tussen LiFePO4 en FePO4 waarvan is aangetoond dat deze veel extra lijndefecten bevat, genaamd "dislocaties, " de SSZ dient als buffer, vermindering van het aantal dislocaties die anders met het elektrochemische reactiefront zouden meebewegen. "We zien geen dislocaties, " zegt Li. Dit kan belangrijk zijn omdat het genereren en opslaan van dislocaties vermoeidheid kan veroorzaken en de levensduur van een elektrode kan beperken.

In tegenstelling tot conventionele TEM-beeldvorming, de techniek die in dit werk wordt gebruikt, ontwikkeld in 2010 door Kushima en Li, maakt het mogelijk om batterijcomponenten te observeren terwijl ze laden en ontladen, die dynamische processen kunnen onthullen. "In de afgelopen vier jaar er is een grote explosie geweest van het gebruik van dergelijke in situ TEM-technieken om de werking van batterijen te bestuderen, "zegt Li.

Een beter begrip van deze dynamische processen zou de prestaties van een elektrodemateriaal kunnen verbeteren door een betere afstemming van de eigenschappen ervan mogelijk te maken, zegt Li.

Ondanks een onvolledig begrip tot nu toe, lithium-ijzerfosfaat-nanodeeltjes worden al op industriële schaal gebruikt voor lithium-ionbatterijen, legt Li uit. "De wetenschap loopt achter op de toepassing, " zegt hij. "Het is al opgeschaald en behoorlijk succesvol op de markt. Het is een van de succesverhalen van nanotechnologie."

"Vergeleken met traditionele lithium-ionen, [lithiumijzerfosfaat] is milieuvriendelijk, en zeer stabiel, ', zegt Niu. 'Maar het is belangrijk dat deze stof goed wordt begrepen.'

Terwijl de ontdekking van de SSZ werd gedaan in LiFePO4, Li zegt, "Hetzelfde principe kan van toepassing zijn op andere elektrodematerialen. Mensen zijn op zoek naar krachtige elektrodematerialen, en dergelijke metastabiele toestanden zouden kunnen voorkomen in andere elektrodematerialen die in bulkvorm inert zijn. … Het ontdekte fenomeen kan heel algemeen zijn, en niet specifiek voor dit materiaal."

Chongmin Wang, een onderzoekswetenschapper aan het Pacific Northwest National Laboratory die niet betrokken was bij dit onderzoek, noemt deze krant 'geweldig werk'.

"Er zijn verschillende modellen voorgesteld, gebaseerd op zowel theoretisch als experimenteel werk, ", zegt Wang. "Echter, geen van hen lijkt overtuigend."

Dit nieuwe onderzoek, hij zegt, "levert overtuigend en direct bewijs" van het mechanisme dat aan het werk is:"Het werk is een grote stap voorwaarts om de dubbelzinnigheden naar een solide oplossingsmodel te duwen."

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.