Met behulp van een nieuwe methode om de elektrochemische reacties in een gemeenschappelijk batterijmateriaal voor elektrische voertuigen onder bedrijfsomstandigheden te volgen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben nieuw inzicht onthuld in waarom snel opladen de prestaties van dit materiaal remt. De studie levert ook het eerste directe experimentele bewijs ter ondersteuning van een bepaald model van de elektrochemische reactie. De resultaten, gepubliceerd op 4 augustus 2014, in Natuurcommunicatie , zou een leidraad kunnen zijn voor de inspanningen van batterijfabrikanten om materialen te optimaliseren voor sneller opladende batterijen met een hogere capaciteit.

"Ons werk was gericht op het ontwikkelen van een methode om structurele en elektrochemische veranderingen op nanoschaal te volgen terwijl het batterijmateriaal werd opgeladen, " zei Brookhaven-natuurkundige Jun Wang, die het onderzoek leidde. Haar groep was vooral geïnteresseerd in het chemisch in kaart brengen van wat er gebeurt in lithiumijzerfosfaat - een materiaal dat veel wordt gebruikt in de kathode, of positieve elektrode, van elektrische auto-accu's - als de accu wordt opgeladen. "We wilden de fasetransformatie die plaatsvindt in de kathode vangen en volgen terwijl lithiumionen van de kathode naar de anode gaan, " ze zei.

Door dit proces zoveel mogelijk lithiumionen van kathode naar anode te krijgen, bekend als delithiatie, is de sleutel tot het volledig opladen van de batterij, zodat deze gedurende de langst mogelijke tijd stroom kan leveren. Inzicht in de subtiele details waarom dat niet altijd gebeurt, kan uiteindelijk leiden tot manieren om de batterijprestaties te verbeteren, waardoor elektrische voertuigen verder kunnen rijden voordat ze moeten worden opgeladen.

Röntgenbeeldvorming en chemische vingerafdrukken

Veel eerdere methoden die werden gebruikt om dergelijke batterijmaterialen te analyseren, hebben gegevens opgeleverd die de effecten over de gehele elektrode uitgemiddelden. Deze methoden missen de ruimtelijke resolutie die nodig is voor chemische mapping of beeldvorming op nanoschaal, en zullen waarschijnlijk mogelijke kleinschalige effecten en lokale verschillen binnen de steekproef over het hoofd zien, legde Wang uit.

Om deze methoden te verbeteren, het Brookhaven-team gebruikte een combinatie van full-field, transmissie x-ray microscopie (TXM) en röntgenabsorptie near-edge spectroscopie (XANES) op nanoschaal bij de National Synchrotron Light Source (NSLS), een DOE Office of Science User Facility die bundels met hoge intensiteit röntgenstralen levert voor studies op vele wetenschapsgebieden. Deze röntgenstralen kunnen het materiaal binnendringen om zowel afbeeldingen met een hoge resolutie als spectroscopische gegevens te produceren - een soort elektrochemische "vingerafdruk" die onthult, pixel voor pixel, waar lithiumionen in het materiaal achterblijven, waar ze zijn verwijderd, waardoor alleen ijzerfosfaat overblijft, en andere potentieel interessante elektrochemische details.

De wetenschappers gebruikten deze methoden om monsters te analyseren die bestaan ​​uit meerdere nanodeeltjes in een echte batterij-elektrode onder bedrijfsomstandigheden (in operando). Maar omdat er veel overlap van deeltjes in deze monsters kan zijn, ze voerden hetzelfde ook uit in operando-onderzoek met kleinere hoeveelheden elektrodemateriaal dan in een typische batterij zou worden gevonden. Hierdoor kregen ze meer inzicht in hoe de delithiatiereactie verloopt binnen individuele deeltjes zonder overlap. Ze bestudeerden elk systeem (meerdere deeltjes en individuele deeltjes) onder twee verschillende oplaadscenario's - snel (zoals je zou krijgen bij een oplaadstation voor elektrische voertuigen), en langzaam (gebruikt wanneer u 's nachts uw voertuig thuis aansluit).

Inzicht in waarom laadtarief ertoe doet

Deze geanimeerde beelden van individuele deeltjes, genomen terwijl de elektrode wordt opgeladen, laten zien dat gelithieerde (rode) en gedelithieerde (groene) ijzerfosfaatfasen naast elkaar bestaan ​​in individuele deeltjes. Deze bevinding ondersteunt direct een model waarin de fasetransformatie van de ene fase naar de andere verloopt zonder het bestaan ​​van een tussenfase.

De gedetailleerde beelden en spectroscopische informatie onthullen een ongekend inzicht in waarom snel opladen de batterijcapaciteit vermindert. Bij de snelle laadsnelheid, de pixel-voor-pixel beelden laten zien dat de transformatie van gelithieerd naar gedelithieerd ijzerfosfaat inhomogeen verloopt. Dat is, in sommige delen van de elektrode, alle lithiumionen worden verwijderd en er blijft alleen ijzerfosfaat over, terwijl deeltjes in andere gebieden helemaal geen verandering vertonen, hun lithiumionen behouden. Zelfs in de "volledig opgeladen" toestand, sommige deeltjes houden lithium vast en de capaciteit van de elektrode ligt ver onder het maximale niveau.

"Dit is de eerste keer dat iemand heeft kunnen zien dat delithiatie anders plaatsvond op verschillende ruimtelijke locaties op een elektrode onder snel opladende omstandigheden, ' zei Jun Wang.

Langzamer opladen, in tegenstelling tot, resulteert in homogene delithiatie, waarbij lithiumijzerfosfaatdeeltjes door de elektrode geleidelijk overgaan in puur ijzerfosfaat - en de elektrode een hogere capaciteit heeft.

Gevolgen voor een beter batterijontwerp

Wetenschappers weten al een tijdje dat langzaam opladen beter is voor dit materiaal, "maar mensen willen niet langzaam opladen, " zei Jiajun Wang, de hoofdauteur van het artikel. "In plaats daarvan, we willen weten waarom snelladen een lagere capaciteit geeft. Onze resultaten bieden aanwijzingen om te verklaren waarom, en zou de industrie richtlijnen kunnen geven om hen te helpen bij het ontwikkelen van een toekomstige snelladende/hoge capaciteit batterij, " hij zei.

Bijvoorbeeld, de fasetransformatie kan in sommige delen van de elektrode efficiënter plaatsvinden dan in andere vanwege inconsistenties in de fysieke structuur of samenstelling van de elektrode, bijvoorbeeld, de dikte of hoe poreus het is. "Dus in plaats van alleen te focussen op de individuele kenmerken van de batterijmaterialen, fabrikanten willen misschien manieren zoeken om de elektrode voor te bereiden zodat alle delen ervan hetzelfde zijn, dus alle deeltjes kunnen bij de reactie betrokken zijn in plaats van slechts enkele, " hij zei.

De studie met individuele deeltjes detecteerde ook, Voor de eerste keer, het naast elkaar bestaan ​​van twee verschillende fasen:gelithieerd ijzerfosfaat en gedelithieerd, of puur, ijzerfosfaat-binnen enkele deeltjes. Deze bevinding bevestigt één model van de transformatie van de delithiatiefase, namelijk dat het van de ene fase naar de andere gaat zonder het bestaan ​​van een tussenfase.

"Deze ontdekkingen vormen de fundamentele basis voor de ontwikkeling van verbeterde batterijmaterialen, " zei Jun Wang. "Bovendien, dit werk demonstreert het unieke vermogen van het toepassen van beeldvorming op nanoschaal en spectroscopische technieken voor het begrijpen van batterijmaterialen met een complex mechanisme in echte operationele omstandigheden van batterijen."

Het document merkt op dat deze in operando-benadering ook op andere gebieden zou kunnen worden toegepast, zoals studies van brandstofcellen en katalysatoren, en in milieu- en biologische wetenschappen.

Toekomstige studies die deze technieken gebruiken bij NSLS-II, die röntgenstralen 10 zullen produceren, 000 keer helderder dan die bij NSLS-zal een nog grotere resolutie hebben en een dieper inzicht geven in de fysieke en elektrochemische eigenschappen van deze materialen, waardoor het voor wetenschappers mogelijk wordt om verder te verduidelijken hoe die eigenschappen de prestaties beïnvloeden.