Kommersiellt tillgänglig sedan 1970 -talet, litiumjonbatteriet är nu arbetshästens kraftkälla i många applikationer. Det finns i mobiltelefoner, bärbara datorer och elfordon. Än, mycket om grundvetenskapen som äger rum på atom- och molekylnivå under laddning och urladdning förblir ett mysterium.

I en ny studie publicerad i Naturkatalys , ett team vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory rapporterar ett genombrott för att förstå kemin i det mikroskopiskt tunna skiktet som bildas vid gränsytan mellan den flytande elektrolyten och den fasta elektroden. Batteriforskare kallar vanligtvis detta lager som "fast-elektrolytgränssnittet" eller SEI.

Mycket vetenskapligt arbete under de senaste decennierna har ägnats åt att förstå SEI i litiumjonbatteriet. Forskare vet att SEI bildas på grafit negativa elektroden, är extremt tunn (mindre än en tusendels millimeter), och tar i första hand form under den första laddningen av batteriet. Det är också väletablerat att SEI förhindrar skadliga reaktioner från att uppstå vid gränssnittet, samtidigt som de viktiga litiumjonerna får fria tyglar att röra sig mellan elektrolyten och elektroden.

Alla bra litiumjonbatterier har välfungerande SEI:er. Som Dusan Strmcnik-en av huvudforskare och biträdande kemitekniker inom Materials Science division (MSD)-noterade, "Batteriets prestanda är starkt beroende av kvaliteten på SEI. Om kemin och rollen för individuella komponenter i SEI förstås, SEI skulle kunna trimmas för att förbättra batteriprestanda."

"Mer viktigt, sådan förståelse skulle avsevärt förbättra vår förutsägbarhet för batteriets livslängd, som är av extremt högt värde för en elbiltillverkare, "Tillade Strmcnik.

Det internationella forskarteamet, som inkluderar medarbetare från Köpenhamns universitet, Technische Universität München i Tyskland och BMW Group, dechiffrerade kemin bakom en av de mer vanliga komponenterna i SEI i typiska litiumjonbatterier, litiumfluorid. Baserat på både experimentella och beräkningsresultat, deras fynd visade att denna fas bildas under batteriladdning genom den elektrokemiska reaktionen av vätefluorid, producerar vätgas och fast litiumfluorid.

Denna reaktion beror mycket på elektrodmaterialet, som kan vara en metall, grafen eller grafitiskt material, och visar därmed vikten av katalys vid batteridrift. Teamet upptäckte en ny metod för att övervaka koncentrationen av vätefluorid, en mycket skadlig förorening som bildas från en reaktion mellan spårmängder av fukt och saltet (LiPF6) i elektrolyten. Denna övervakningskapacitet bör visa sig vara avgörande för framtida grundläggande vetenskapliga studier av SEI.

Till Argonne Distinguished Fellow och medansvarig utredare Nenad Markovic, studiens resultat har redan en kommersiell inverkan. "Våra fynd implementeras redan i litiumjonceller vid BMW Groups Battery Cell Competence Center. De kommer också att öppna nya möjligheter för förbättring av befintliga, och designen av nya, litiumjonteknik."

De Naturkatalys Artikeln har rubriken "Elektrokatalytisk omvandling av HF-föroreningar till H2 och LiF i litiumjonbatterier."