Een uitgebreide blik op hoe kleine deeltjes in een lithium-ionbatterij-elektrode zich gedragen, laat zien dat de batterij snel wordt opgeladen en gebruikt om krachtige, snel aftappend werk is misschien niet zo schadelijk als onderzoekers hadden gedacht - en dat de voordelen van langzaam aftappen en opladen mogelijk zijn overschat.

De resultaten dagen de heersende opvatting uit dat "superchargen" van batterijen altijd moeilijker is voor batterij-elektroden dan opladen met lagere snelheden, volgens onderzoekers van Stanford University en het Stanford Institute for Materials &Energy Sciences (SIMES) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy.

Ze suggereren ook dat wetenschappers elektroden kunnen aanpassen of de manier waarop batterijen worden opgeladen kunnen veranderen om meer uniform laden en ontladen te bevorderen en de levensduur van de batterij te verlengen.

"Het fijne detail van wat er in een elektrode gebeurt tijdens het opladen en ontladen is slechts een van de vele factoren die de levensduur van de batterij bepalen, maar het is er een, tot deze studie, niet goed begrepen, " zei William Chueh van SIMES, een assistent-professor bij Stanford's Department of Materials Science and Engineering en senior auteur van de studie. "We hebben een nieuwe manier gevonden om over batterijdegradatie na te denken."

De resultaten, hij zei, kan direct worden toegepast op veel oxide- en grafietelektroden die worden gebruikt in de huidige commerciële lithium-ionbatterijen en in ongeveer de helft van die in ontwikkeling.

Zijn team beschreef de studie op 14 september 2014, in natuurlijke materialen. Het team bestond uit medewerkers van het Massachusetts Institute of Technology, Sandia Nationale Laboratoria, Samsung Advanced Institute of Technology America en Lawrence Berkeley National Laboratory.

Ionen in batterijschijfjes bekijken

Een belangrijke oorzaak van slijtage van de batterij is het zwellen en krimpen van de negatieve en positieve elektroden, aangezien deze ionen absorberen en vrijgeven van de elektrolyt tijdens het laden en ontladen.

Voor deze studie keken wetenschappers naar een positieve elektrode gemaakt van miljarden nanodeeltjes lithiumijzerfosfaat. Als de meeste of al deze deeltjes actief deelnemen aan het laden en ontladen, ze zullen ionen zachter en gelijkmatiger absorberen en afgeven. Maar als slechts een klein percentage deeltjes alle ionen opzuigt, ze hebben meer kans om te barsten en geruïneerd te worden, verslechtering van de prestaties van de batterij.

Eerdere studies leverden tegenstrijdige opvattingen op over hoe de nanodeeltjes zich gedroegen. Om verder te peilen, onderzoekers maakten kleine knoopcelbatterijen, laadde ze gedurende verschillende tijdsperioden met verschillende stroomniveaus, haalde ze snel uit elkaar en spoelde de componenten om het laad-/ontlaadproces te stoppen. Daarna sneden ze de elektrode in extreem dunne plakjes en brachten ze naar Berkeley Lab voor onderzoek met intense röntgenstralen van de Advanced Light Source synchrotron, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Nieuwe inzichten over sneller ontladen

"We waren in staat om duizenden elektrode-nanodeeltjes tegelijk te bekijken en er snapshots van te maken in verschillende stadia tijdens het opladen en ontladen, " zei Stanford afgestudeerde student Yiyang Li, hoofdauteur van het rapport. "Deze studie is de eerste die dat uitgebreid doet, onder veel laad- en ontlaadomstandigheden."

Analyse van de gegevens met behulp van een geavanceerd model ontwikkeld aan het MIT, ontdekten de onderzoekers dat slechts een klein percentage van de nanodeeltjes ionen absorbeerde en vrijliet tijdens het opladen, ook als het heel snel ging. Maar toen de batterijen leeg waren, gebeurde er iets interessants:toen de ontladingssnelheid boven een bepaalde drempel kwam, steeds meer deeltjes begonnen tegelijkertijd ionen te absorberen, overschakelen naar een meer uniforme en minder schadelijke modus. Dit suggereert dat wetenschappers het elektrodemateriaal of het proces kunnen aanpassen om snellere laad- en ontlaadsnelheden te krijgen met behoud van een lange levensduur van de batterij.

De volgende stap, Li zei, is om de batterij-elektroden door honderden tot duizenden cycli te laten lopen om de prestaties in de echte wereld na te bootsen. De wetenschappers hopen ook snapshots van de batterij te maken terwijl deze wordt opgeladen en ontladen, in plaats van het proces te stoppen en uit elkaar te halen. Dit zou een meer realistisch beeld moeten opleveren, en kan worden gedaan bij synchrotrons zoals ALS of SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, ook een DOE Office of Science User Facility. Li zei dat de groep ook met de industrie heeft samengewerkt om te zien hoe deze bevindingen van toepassing kunnen zijn in de sectoren transport en consumentenelektronica.