Lithium-ionbatterijen ontketenen elektriciteit terwijl elektrochemische reacties zich door actieve materialen verspreiden. Het manipuleren van dit complexe proces en het sturen van de reacties naar het energierijke hart van elk deel van deze actieve materialen is cruciaal voor het optimaliseren van het vermogen en de uiteindelijke energiecapaciteit van deze batterijen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en samenwerkende instituten hebben deze reactiepaden op atomaire schaal in kaart gebracht en gekoppeld aan de ontladingssnelheid van de batterij.

Tegen de verwachting in, een langzame ontladingssnelheid zorgt ervoor dat elektrochemische "vingers" het elektrodemateriaal kunnen binnendringen en de opgeslagen energie los kunnen wrikken via een proces dat lithiëring wordt genoemd. Tijdens hoge ontladingen, echter, deze lithiatievingers dringen langzaam laag voor laag binnen op een veel inefficiëntere manier.

"Dit modelsysteem onthult het cruciale samenspel tussen de ontladingssnelheid en het lithiëringspatroon, " zei Dong Su, die het onderzoek leidde bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN). "De subtiele patronen die we zien, kunnen ons helpen superieure batterij-architecturen te ontwikkelen die de penetratie van lithiëring versnellen en de algehele prestaties verbeteren."

Het werk werd uitgevoerd bij Brookhaven Lab's CFN en National Synchrotron Light Source, en SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Light Source - alle DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten. De studie, gepubliceerd op 29 januari 2015, in het journaal Nano-letters , omvat medewerkers van de Cornell University, Colorado School of Mines, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, Stony Brook-universiteit, en het Massachusetts Institute of Technology.

"Het eerste gebruik van deze nikkeloxide-elektrodematerialen om energie op te slaan en te ontladen, helpt feitelijk de toekomstige prestaties van het materiaal te bepalen, " zei Kai He, de eerste auteur en een postdoctoraal onderzoeker werkzaam bij het CFN. "Het ontladingsproces begint aan de oppervlakte, en beweegt vervolgens via 'vingers' het interieur in om de volledige capaciteit van het materiaal te ontgrendelen. Het mooie is dat we deze overgang voor het eerst hebben kunnen zien."

"Kruipende" vingers

De studie toonde aan dat in deze materialen verschillende reactieroutes kunnen voorkomen. Hoewel de oppervlaktereacties snel verlopen, ze dringen niet diep in het materiaal door, dus dit reactiepad kan slechts een kleine bijdrage leveren aan de totale energiecapaciteit en output van de batterij.

"Overuren, de bijna-oppervlaktereactie plant zich uniform voort vanaf het buitenoppervlak van elk nanodeeltje naar binnen vanuit alle richtingen - dit is wat we de krimpende kernmodus noemen - maar het kan uitzonderlijk langzaam zijn, "Hij zei. "Die innerlijke capaciteit blijft grotendeels onaangetast totdat de lithiatievingers zich vormen."

Deze kiemvormende vingers verspreiden zich dan net als boomwortels die door energierijke grond kruipen, het ontgrendelen van elektriciteit als ze gaan.

"We hadden verwacht dat dit proces veel sneller zou verlopen tijdens hoge ontladingen, maar we vonden het tegenovergestelde waar, Su zei. "Hoge snelheden verspreid over het oppervlak van het materiaal, maar dan abrupt tot stilstand komen. Bij langzame ontladingen, echter, de penetrerende vingers vormden zich snel en opende de weg voor stabiele, gebruik met hoge capaciteit."

De lithiatievingers - de sleutel tot het ontsluiten van volledige capaciteit - hebben een vaste incubatietijd nodig om zich te vormen en te groeien, die een tijdslimiet stelt voor efficiënte, snelle energieopslag in lithium-ionbatterijen.

Zei studie co-auteur Feng Lin, een materiaalwetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, "We hebben ervoor gekozen om ons onderzoek uit te voeren met behulp van uniek ontworpen materialen op nanoschaal van nikkeloxide. Deze materialen zijn enigszins tweedimensionaal, en bieden duidelijke kristaloriëntaties voor experimentele observatie en theoretische modellering. We verwachten dat soortgelijke verschijnselen ook van toepassing zijn op andere verwante elektrodematerialen."

Röntgen- en elektronensondes

De samenwerking combineerde gegevens van elektronenmicroscopie, röntgenspectroscopie, en computationele modellering.

"We gebruikten elektronenbundels gefocusseerd tot een grootte van 1 Angstrom (10-10 meter) om de fysieke paden van deze reacties in kaart te brengen, " zei Eric Stach, die co-auteur was van dit artikel en leiding geeft aan de elektronenmicroscopiegroep van de CFN. "Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, we hebben real-time films gemaakt van de lithiëringspatronen. Zo konden we direct visualiseren hoe dit proces op nanoschaal verloopt. We hebben ook de lithium-ionmonsters gekarakteriseerd na ontlading om de structurele en chemische veranderingen verder in kaart te brengen met driedimensionale elektronentomografie."

Deze gegevens werden bevestigd door röntgenspectroscopieonderzoeken uitgevoerd bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source en SLAC Lab's Stanford Synchrotron Radiation Light Source.

De röntgenonderzoeken volgden kwantitatief de chemische veranderingen in de monsters, het onthullen van de snelheden van lithiëringsreacties en de evoluerende chemische structuur. Computermodellen hielpen vervolgens bij het interpreteren van deze gegevens en legden het elektrochemische verband tussen ontladingssnelheid en reactievoortplanting uit.

"Het scala aan talenten, expertise, en instrumenten uit laboratoria in het hele land laten ons een compleet beeld krijgen van de gehele reactie op alle relevante lengteschalen, het koppelen van elektrochemie en reactiemechanisme met nanostructuren, " zei hij.

De onderzoekers zijn van plan dezelfde methodologie op meer systemen toe te passen en het gebruik ervan als richtlijn voor nieuwe, hoogwaardige batterijtechniek.