Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben een moleculair spel van stoelendans ontdekt dat de prestaties van de batterij schaadt.

In een artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , laten de onderzoekers zien hoe de excitatie van zuurstofatomen die bijdraagt ​​aan betere prestaties van een lithium-ionbatterij, ook een proces in gang zet dat tot schade leidt, een fenomeen verklaren dat voor wetenschappers een mysterie is geweest.

Het onderzoek lokaliseert de wetenschap achter één barrière op de weg naar het creëren van langerlevende, oplaadbare lithium-ionbatterijen met een hogere capaciteit. Het is een onverwachte bevinding over een proces dat elke dag plaatsvindt in de batterijen die mobiele telefoons van stroom voorzien, laptopcomputers, en elektrische auto's.

Het nadeel van zuurstof

Bepalen hoe moleculen in elkaar passen en stromen, is cruciaal voor het vermogen van een batterij om energie op te slaan en vrij te geven. In een lithium-ionbatterij, het laadproces omvat de stroom lithiumionen van de kathode door de elektrolyt naar de anode. Bij het lossen, diezelfde ionen maken een terugreis naar de kathode, waar ze zich moeten nestelen in hun toegewezen posities in een strikt gereguleerd rooster waar andere atomen, zoals zuurstof, nikkel, kobalt, en magnesium, ook wonen. Door deze constante heen en weer kan de batterij energie opslaan en vrijgeven.

Om dit proces te stimuleren, wetenschappers verhogen de stroom lithium uit de kathode door zuurstof te gebruiken als donor van elektronen, maar dit resulteert in "opgewonden" zuurstofatomen die grote schade kunnen aanrichten in de zorgvuldig geconstrueerde kathode. Het PNNL-team ontdekte dat deze zuurstofmoleculen onruststokers zijn:ze zijn erg mobiel en zullen waarschijnlijk van het oppervlak ontsnappen, wat leidt tot minder capaciteit en uiteindelijk tot batterijstoring, en ze wisselen gemakkelijk moleculaire posities uit, de structuur van de batterij benadrukken.

"De zuurstofatomen bieden elektronen, en dat vergroot de capaciteit. Maar er zijn kosten aan verbonden; mensen hebben dat niet beseft, " zei PNNL-wetenschapper Chongmin Wang, die de studie leidde. "We weten dat zuurstof de prestaties van de batterij verbetert, maar we hebben niet alle betrokken principes volledig begrepen."

Strijd in de kathode

Wang's team heeft precies opgespoord wat er met de zuurstof in de kathode gebeurt, onthullend een verhaal van moleculaire stoelendans met opgewonden zuurstof "pestkoppen, " gapende gaten gecreëerd door hun opportunistische exit uit de structuur, en lithiumionen belemmerden hun poging om terug te keren vanwaar ze kwamen.

Het team toonde aan dat overdreven geëxciteerde zuurstofatomen - gecreëerd wanneer zuurstofatomen hun elektronen hebben gedoneerd - de neiging hebben om van het oppervlak van de kathode te ontsnappen, een leegte achterlatend in het zorgvuldig geconstrueerde batterijrooster.

Wanneer zuurstofatomen aan het oppervlak vertrekken, extra zuurstofatomen in de bulkstructuur spier hun weg naar die nu lege slots. Steeds meer zuurstofmoleculen volgen in een kettingreactie, werken zich een weg omhoog in de lege sleuven en ontsnappen aan de oppervlakte. Naarmate het proces vordert, defecten migreren van het oppervlak van de kathode dieper in het materiaal, het creëren van een groot gat of leegte. De activiteit bootst een proces na dat velen van ons maar al te goed kennen:tandbederf, die begint met een klein defect aan een oppervlak maar uiteindelijk dieper gaat en een groter probleem veroorzaakt.

De site-swapping richt grote schade aan op de voorheen geordende atomaire structuur van een batterij. Andere atomen zoals nikkel, magnesium, kobalt, en zuurstof begint te bewegen en gedraagt ​​zich effectief als pestkoppen, waarschijnlijk een stoel voor lithium stelen terwijl het lithium weg is om nuttige batterijchemie te doen.

En de lege plekken die zijn achtergelaten door de vertrokken zuurstofatomen beginnen zich te groeperen in lege ruimtes, formidabele barrières opwerpen en voorkomen dat lithiumionen terugkeren naar waar ze thuishoren. Wanneer minder lithiumatomen zich weer op de juiste posities in de kathode kunnen vestigen, er zijn er minder beschikbaar om de heen- en terugreis tussen de anode en kathode te maken. Hierdoor slaat de batterij steeds minder energie op.

Eventueel, het hoge aantal vacatures of holtes destabiliseren het rooster, wat leidt tot minder capaciteit en uiteindelijk tot batterijstoring.

Een lijfwacht voor eigenzinnige zuurstof

"Als je eenmaal genoeg zuurstofatomen hebt verloren, de batterij verliest capaciteit en de hele structuur stort in, " zei Wang, wiens PNNL-team ook werkte met wetenschappers van de Beijing University of Technology in China, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, en Argonne Nationaal Laboratorium.

Het team onderzoekt manieren om dergelijke defecten te stoppen. One idea is to stabilize the oxygen on the surface—to lock oxygen atoms into their rightful position more tightly and make them less likely to escape from the surface. Wang's team is exploring the use of molecules of zirconia to wield its chemical influence and act as a type of bodyguard to keep oxygen atoms in their proper positions. This would mean less loss of oxygen and would help keep the whole structure in order, allowing lithium ions to move back and forth with ease.