Även om gastankar kan fyllas på några minuter, att ladda batteriet i en elbil tar mycket längre tid. För att jämna ut villkoren och göra elfordon mer attraktiva, forskare arbetar med snabbladdningstekniker.

Snabbladdning är mycket viktigt för elfordon, " sa batteriforskaren Daniel Abraham vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory. ?"Vi skulle vilja kunna ladda ett elfordonsbatteri på under 15 minuter, och ännu snabbare om möjligt."

"Genom att se exakt hur litiumet är fördelat i elektroden, vi får förmågan att exakt bestämma det inhomogena sättet på vilket ett batteri åldras." — Daniel Abraham, Argonne batteriforskare

Det huvudsakliga problemet med snabbladdning sker under transporten av litiumjoner från den positiva katoden till den negativa anoden. Om batteriet laddas långsamt, litiumjonerna som extraheras från katoden slits gradvis mellan planen av kolatomer som utgör grafitanoden - en process som kallas litiuminterkalering.

Men när denna process påskyndas, litium kan sluta avsättas på grafitens yta som metall, som kallas litiumplätering. ?"När detta händer, batteriets prestanda försämras dramatiskt, eftersom det pläterade litiumet inte kan flyttas från en elektrod till den andra, " sa Abraham.

Enligt Abraham, denna litiummetall reducerar kemiskt batteriets elektrolyt, orsakar bildandet av en fast-elektrolyt-interfas som binder upp litiumjoner så att de inte kan skjutas mellan elektroderna. Som ett resultat, mindre energi kan lagras i batteriet över tid.

För att studera rörelsen av litiumjoner i batteriet, Abraham samarbetade med postdoktorn Koffi Pierre Yao och Argonne röntgenfysiker John Okasinski vid laboratoriets Advanced Photon Source, en DOE Office of Science-användaranläggning. Där, Okasinski skapade i huvudsak en 2D-bild av batteriet genom att använda röntgenstrålar för att avbilda varje fas av litiumgrafit i anoden.

Genom att få denna uppfattning, forskarna kunde exakt kvantifiera mängden litium i olika delar av anoden under laddning och urladdning av batteriet.

I studien, forskarna fastställde att litium ackumuleras i områden närmare batteriets separator under snabbladdningsförhållanden.

"Du kan förvänta dig det bara av sunt förnuft, "Förklarade Abraham. ?"Men genom att se exakt hur litiumet fördelas inuti elektroden, vi får möjligheten att exakt bestämma det inhomogena sättet på vilket ett batteri åldras."

För att selektivt se en viss region i hjärtat av batteriet, forskarna använde en teknik som kallas energidispersiv röntgendiffraktion. Istället för att variera strålens vinkel för att nå särskilda områden av intresse, forskarna varierade våglängden på det infallande ljuset.

Genom att använda röntgenstrålar, Argonnes forskare kunde bestämma kristallstrukturerna i grafitlagren. Eftersom grafit är ett kristallint material, införandet av litium gör att grafitgittret expanderar i varierande grad. Denna svällning av skikten är märkbar som en skillnad i diffraktionstopparna, Okasinski sa, och intensiteterna för dessa toppar ger litiumhalten i grafiten.

Även om denna forskning fokuserar på små knappcellsbatterier, Okasinski sa att framtida studier kan undersöka litiumbeteendet i större påscellsbatterier, som de som finns i smartphones och elfordon.

Ett papper baserat på studien, "Kvantifiera litiumkoncentrationsgradienter i grafitelektroden hos litiumjonceller med hjälp av operandoenergidispersiv röntgendiffraktion, " dök upp i onlinenumret den 9 januari av Energi- och miljövetenskap .