Till vänster, en 3D-modell av materialforskare från Rice University visar en fasgräns eftersom en delithierande litiumjärnfosfatkatod genomgår snabb urladdning. Till höger, ett tvärsnitt visar den "fingerliknande" gränsen mellan järnfosfat (blått) och litium (rött). Risingenjörer fann att för många avsiktliga defekter avsedda att göra batterier bättre faktiskt kan försämra deras prestanda och uthållighet. Kredit:Mesoscale Materials Science Group/Rice University
Avsiktliga defekter i batterier har gett Rice Universitys forskare ett fönster till riskerna med att trycka litiumjonceller för långt.
Nya simuleringar av rismaterialforskaren Ming Tang och doktorand Kaiqi Yang, detaljerat i Journal of Materials Chemistry A , visar för mycket stress i allmänt använda litiumjärnfosfatkatoder kan öppna sprickor och snabbt bryta ned batterier.
Arbetet utökar den senaste Rice-forskningen som visade hur defekter i partiklar som utgör katoden kan förbättra batteriets prestanda med upp till två storleksordningar genom att hjälpa litium att röra sig mer effektivt.
Men labbets efterföljande modellstudie avslöjade en varning. Under trycket av snabb laddning och urladdning, defektladdade katoder riskerar frakturer.
"Den konventionella bilden är att litium rör sig jämnt in i katoden, med en litiumrik region som expanderar smidigt in i katodens centrum, "sa Tang, en biträdande professor i materialvetenskap och nanoengineering vid Rice's Brown School of Engineering.
Men röntgenbilder tagna på ett annat labb visade något annat. "De såg en fingerlik gräns mellan de litiumrika och litiumfattiga områdena, nästan som när du injicerar vatten i olja, "sa han." Vår fråga var, vad orsakar detta?"
Roten till problemet verkar vara att stress destabiliserar den initialt platta gränsen och gör att den blir vågig, Sa Tang. Förändringen i gränsformen ökar spänningsnivån ytterligare och utlöser sprickbildning. Studien av Tangs grupp visar att sådan instabilitet kan ökas av en vanlig typ av defekt i batteriföreningar som kallas antisites, där järnatomer upptar fläckar i kristallen där litiumatomer ska vara.
"Antisiter kan vara bra, som vi visade i förra tidningen, eftersom de påskyndar litiuminterkaleringskinetiken, "Tang sa, "Men här visar vi en motverkan:För många antisiter i partiklarna uppmuntrar det rörliga gränssnittet att bli instabilt och därför generera mer stress."
Rice doktorand Kaiqi Yang, vänster, och materialvetaren Ming Tang bestämde att snabb laddning och urladdning av vissa litiumjonbatterier med avsiktliga defekter försämrar deras prestanda och uthållighet. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Tang tror att det finns en sweet spot för antalet antisites i en katod:tillräckligt för att förbättra prestandan men för få för att främja instabilitet. "Du vill ha en lämplig nivå av defekter, och det kommer att krävas lite försök och misstag för att ta reda på hur man når rätt mängd genom att glödga partiklarna, " sa han. "Vi tror att våra nya förutsägelser kan vara användbara för experimentalister."
