Under de senaste tre decennierna, litiumjonbatterier, laddningsbara batterier som flyttar litiumjoner fram och tillbaka för att ladda och ladda ur, har aktiverat mindre enheter som saftar upp snabbare och håller längre.

Nu, Röntgenexperiment vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory har avslöjat att vägarna litiumjoner tar genom ett vanligt batterimaterial är mer komplexa än man tidigare trott. Resultaten korrigerar mer än två decenniers antaganden om materialet och kommer att bidra till att förbättra batteridesignen, potentiellt leda till en ny generation litiumjonbatterier.

Ett internationellt team av forskare, ledd av William Chueh, en fakultetsforskare vid SLAC:s Stanford Institute for Materials &Energy Sciences och en professor i materialvetenskap i Stanford, publicerade dessa fynd idag i Naturmaterial .

"Innan, det var ungefär som en svart låda, sa Martin Bazant, en professor vid Massachusetts Institute of Technology och en annan ledare för studien. "Man kunde se att materialet fungerade ganska bra och vissa tillsatser verkade hjälpa, men du kunde inte säga exakt var litiumjonerna tar vägen i varje steg av processen. Man kunde bara försöka utveckla en teori och arbeta baklänges från mätningar. Med nya instrument och mättekniker, vi börjar få en mer rigorös vetenskaplig förståelse för hur dessa saker faktiskt fungerar."

"Popcorneffekten"

Alla som har åkt i en elbuss, arbetat med ett elverktyg eller använt en sladdlös dammsugare har sannolikt skördat fördelarna av batterimaterialet de studerade, litiumjärnfosfat. Den kan även användas för start-stopp-funktionen i bilar med förbränningsmotorer och lagring för vind- och solkraft i elnät. Bättre förståelse för detta material och andra liknande det kan leda till snabbare laddning, batterier som håller längre och mer hållbara. Men tills nyligen, forskare kunde bara gissa sig till de mekanismer som gör att det fungerar.

När litiumjonbatterier laddas och laddas ur, litiumjonerna strömmar från en flytande lösning till en fast reservoar. Men väl i det fasta, litium kan ordna om sig själv, ibland orsakar materialet att delas i två distinkta faser, ungefär som olja och vatten separeras när de blandas ihop. Detta orsakar vad Chueh refererar till som en "popcorneffekt". Jonerna klumpar ihop sig till hot spots som i slutändan förkortar batteriets livslängd.

I den här studien, forskare använde två röntgentekniker för att utforska litiumjonbatteriers inre funktion. På SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) studsade de röntgenstrålar från ett prov av litiumjärnfosfat för att avslöja dess atomära och elektroniska struktur, ge dem en känsla av hur litiumjonerna rörde sig i materialet. På Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS), de använde röntgenmikroskopi för att förstora processen, så att de kan kartlägga hur koncentrationen av litium förändras över tiden.

Simmar uppströms

Tidigare, forskare trodde att litiumjärnfosfat var en endimensionell ledare, vilket betyder att litiumjoner bara kan färdas i en riktning genom huvuddelen av materialet, som lax som simmar uppströms.

Men medan man sållar igenom deras data, forskarna märkte att litium rörde sig i en helt annan riktning på materialets yta än vad man kunde förvänta sig baserat på tidigare modeller. Det var som om någon hade slängt ett löv på bäckens yta och upptäckt att vattnet rann åt ett helt annat håll än den simmande laxen.

De arbetade med Saiful Islam, en kemiprofessor vid University of Bath, STORBRITANNIEN, att utveckla datormodeller och simuleringar av systemet. De avslöjade att litiumjoner rörde sig i ytterligare två riktningar på materialets yta, gör litiumjärnfosfat till en tredimensionell ledare.

"Som det visar sig, dessa extra vägar är problematiska för materialet, främja det popcornliknande beteendet som leder till dess misslyckande, ", sa Chueh. "Om litium kan fås att röra sig långsammare på ytan, det kommer att göra batteriet mycket mer enhetligt. Detta är nyckeln till att utveckla högre prestanda och batterier som håller längre."

En ny gräns inom batteriteknik

Även om litiumjärnfosfat har funnits under de senaste två decennierna, möjligheten att studera den på nanoskala och under batteridrift var inte möjlig förrän för bara ett par år sedan.

"Detta förklarar hur en så avgörande egenskap hos materialet har gått obemärkt förbi så länge, " sa Yiyang Li, som ledde det experimentella arbetet som doktorand och postdoktor vid Stanford och SLAC. "Med ny teknik, det finns alltid nya och intressanta egenskaper att upptäcka om material som får dig att tänka på dem lite annorlunda."

Detta arbete är en av de första tidningarna som kom ur ett samarbete mellan Bazant, Chueh och flera andra forskare som en del av ett Toyota Research Institute-finansierat forskningscenter som använder teori och maskininlärning för att designa och tolka avancerade experiment.

Dessa senaste fynd, Bazant sa, skapa en mer komplex historia som teoretiker och ingenjörer kommer att behöva överväga i framtida arbete.

"Det bygger vidare argumentet att konstruktion av ytorna på litiumjonbatterier verkligen är den nya gränsen, ", sa han. "Vi har redan upptäckt och utvecklat några av de bästa bulkmaterialen. Och vi har sett att litiumjonbatterier fortfarande utvecklas i en ganska anmärkningsvärd takt:de blir bättre och bättre. Denna forskning möjliggör en stadig utveckling av en beprövad teknik som faktiskt fungerar. Vi bygger på en viktig bit av kunskap som kan läggas till verktygslådan för batteriingenjörer när de försöker utveckla bättre material."

Spänner över olika skalor

För att följa upp denna studie, forskarna kommer att fortsätta att kombinera modellering, simulering och experiment för att försöka förstå grundläggande frågor om batteriprestanda i många olika längd- och tidsskalor med faciliteter som SLAC:s Linac Coherent Light Source, eller LCLS, där forskare kommer att kunna undersöka enstaka joniska humle som sker på tidsskalor så snabbt som en biljondels sekund.

"En av vägspärrarna för att utveckla litiumjonbatteriteknologier är den enorma längd- och tidsskala som är involverad, ", sade Chueh. "Nyckelprocesser kan hända på en delad sekund eller under många år. Vägen framåt kräver kartläggning av dessa processer i längder som går från meter hela vägen ner till atomernas rörelse. På SLAC, vi studerar batterimaterial på alla dessa skalor. Att kombinera det med modellering och experiment är verkligen det som gjorde denna förståelse möjlig."