Oplaadbare elektrische voertuigen zijn een van de beste instrumenten tegen toenemende vervuiling en koolstofemissies, en hun wijdverbreide acceptatie hangt af van de prestaties van de batterij. Wetenschappers die gespecialiseerd zijn in nanotechnologie blijven jagen op het perfecte moleculaire recept voor een batterij die de prijs verlaagt, verhoogt de duurzaamheid, en biedt meer mijlen bij elke lading.

Een bepaalde familie lithium-ionbatterijen, bestaande uit nikkel, kobalt, en aluminium (NCA) biedt een voldoende hoge energiedichtheid - een maat voor de opgeslagen elektriciteit in de batterij - dat het goed werkt in grootschalige en langeafstandsvoertuigen, inclusief elektrische auto's en commerciële vliegtuigen. Er is, echter, een belangrijke vangst:deze batterijen verslechteren met elke cyclus van opladen en ontladen.

Terwijl de batterij draait, lithiumionen pendelen heen en weer tussen kathode en anode en laten detecteerbare sporen van schade op nanoschaal achter. Cruciaal, de hoge hitte van voertuigomgevingen kan deze veelbetekenende degradatiesporen versterken en zelfs volledige batterijstoring veroorzaken.

"De relatie tussen structurele veranderingen en de catastrofale thermische runaway heeft gevolgen voor zowel de veiligheid als de prestaties, "Zei natuurkundige Xiao-Qing Yang van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. "Het diepgaande begrip van die relatie zal ons helpen nieuwe materialen te ontwikkelen en dit NCA-materiaal vooruit te helpen om die gevaarlijke degradatie te voorkomen."

Om een ​​holistisch beeld te krijgen van de elektrochemische reacties van de NCA-batterij, onderzoekers van Brookhaven Lab's Chemistry Department en Centre for Functional Nanomaterials (CFN) voltooiden een reeks van drie onderzoeken, die elk dieper ingaan op de moleculaire veranderingen. Het werk omvatte de op röntgenstraling gebaseerde verkenning van gemiddelde materiële morfologieën tot verrassende asymmetrieën op atomaire schaal die werden onthuld door elektronenmicroscopie.

"Na elke cyclus van laden / ontladen - of zelfs incrementele stappen in beide richtingen - zagen we de atomaire structuur overgaan van uniforme kristallijne lagen naar een ongeordende steenzoutconfiguratie, " zei Brookhaven Lab-wetenschapper Eric Stach, die de elektronenmicroscopiegroep van CFN leidt. "Tijdens deze transformatie zuurstof verlaat de gedestabiliseerde batterijverbinding. Deze overtollige zuurstof, in de loop van de tijd steeds sneller uitgeloogd, draagt ​​juist bij aan het faalrisico en fungeert als brandstof voor een mogelijke brand."

Deze nieuwe en fundamentele inzichten kunnen ingenieurs helpen bij het ontwikkelen van superieure batterijchemie of nanoschaalarchitecturen die deze degradatie blokkeren.

Studie 1:röntgenfoto's van door warmte aangedreven ontbinding

De eerste studie, gepubliceerd in Chemie van materialen , verkende de NCA-batterij met behulp van gecombineerde röntgendiffractie- en spectroscopietechnieken waarbij bundels van hoogfrequente fotonen een materiaal bombarderen en weerkaatsen om de elementaire structuur en samenstelling te onthullen. Deze röntgenonderzoeken werden uitgevoerd bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS).

"We hebben de batterijcyclus in situ kunnen testen, wat betekent dat we de effecten van toenemende hitte in realtime konden bekijken, "Zei Brookhaven Lab-chemicus en co-auteur van de studie Seong Min Bak. "We hebben de volledig opgeladen NCA-knoopcelbatterij uit thermisch evenwicht geduwd door hem helemaal tot 500 graden Celsius te verwarmen."

Naarmate de temperatuur steeg, Röntgenstralen troffen het monster en onthulden de wijdverbreide overgang van de ene kristalstructuur naar de andere. Het team heeft ook de hoeveelheid zuurstof en koolstofdioxide gemeten die vrijkomt door het NCA-monster - een belangrijke indicator van mogelijke ontvlambaarheid.

"De zuurstofafgifte piekte tijdens onze proeven tussen 300 en 400 graden Celsius, die voor de meeste voertuigen boven de bedrijfstemperatuur ligt, "Zei Bak. "Maar die temperatuurdrempel zakte voor een sterk opgeladen batterij, suggesting that operating at full energy capacity accelerates structural degradation and vulnerability."

While they further confirmed the results with x-ray absorption spectroscopy and electron microscopy after the heating trials, the team needed to map the changes at higher resolutions.

Study 2:Charge-induced transformations

The next study, also published in Chemie van materialen , used transmission electron microscopy (TEM) to pinpoint the effect of an initial charge on the battery's surface structure. The highly focused electron beams available at CFN revealed individual atom positions as an applied current pushed pristine batteries to an overcharged state.

"The surface changes matched the rock-salt evolution found in the x-ray study, " said study coauthor Sooyeon Hwang of the Korea Institute of Science and Technology (KIST). "Even with just one charge on the NCA battery we saw changes in the crystalline structure, and it grew much worse as the charge level increased."

To capture the atoms' electronic structures, the scientists used electron energy loss spectroscopy (EELS). Bij deze techniek, measurements of the energy lost by a well-defined electron beam reveal local charge densities and elemental configurations.

"We found a decrease in nickel and an increase in the electron density of oxygen, " Hwang said. "This causes a charge imbalance that forces oxygen to break away and leave holes in the NCA surface, permanently damaging the battery's capacity and performance."

While this combined crystallographic and electronic data confirmed and clarified the earlier work, temperature effects still needed to be explored with atomic precision.

Study 3:Thermal decay and real-time electron microscopy

The final study, gepubliceerd in Toegepaste materialen en interfaces , used in situ electron microscopy to track the heat-driven decomposition of NCA materials at different states of charge. The atomic-scale structural investigation under variable temperatures and charge levels offered the most comprehensive portrait yet.

The collaboration found that even though pristine and uncharged NCA samples remained stable up to 400 degrees Celsius, charging introduced the usual decomposition and vulnerabilities. The full story, echter, was much more nuanced.

"We saw the same overall degradation patterns, but the real-time TEM revealed an unexpected twist within individual particles, " Stach said. "When fully charged, some particles released oxygen and began to shift toward disorder down at temperatures below 100 degrees Celsius—definitely plausible for a lithium-ion battery's normal operation."

Added Hwang, "Those unstable, degraded particles may trigger the chain reaction of so-called thermal runaway at lower temperatures than expected, and that free oxygen would feed the fire springing from an overheated battery."

The future of batteries

The corroborating data in the three studies points to flaws in the chemistry and architecture of NCA batteries—including the surprising atomic asymmetries—and suggests new ways to enhance durability, including the use of nanoscale coatings that reinforce stable structures.

"We plan to push these investigative techniques even further to track the battery's structure in real-time as it charges and discharges under real operating conditions—we call this in operando, " Stach said. "Brookhaven's National Synchrotron Light Source II will be a game-changer for this kind of experimentation, and I'm eager to take advantage of that facility's ultra-bright x-rays to track internal and surface evolutions in these materials."