Litiumjonbatterier förväntas ha ett globalt marknadsvärde på 47 miljarder USD år 2023. De används i många applikationer, eftersom de erbjuder relativt hög energitäthet (lagringskapacitet), hög driftspänning, lång hållbarhet och liten "minneseffekt" — en minskning av ett uppladdningsbart batteris maximala kapacitet på grund av ofullständiga urladdningar vid tidigare användningar. Dock, faktorer som säkerhet, laddning-urladdningscykler och förväntad livslängd fortsätter att begränsa effektiviteten hos litiumjonbatterier i tunga applikationer, till exempel för att driva elfordon.

Forskare från University of Virginia School of Engineering använder neutronavbildningstekniker vid Oak Ridge National Laboratory för att undersöka litiumjonbatterier och få insikter om de elektrokemiska egenskaperna hos batteriernas material och strukturer. Deras forskning, publiceras i Journal of Power Sources , fokuserat på att spåra lithiation och delithiation - eller laddning och urladdning - processer i litiumjonbatterielektroder med tunna och tjocka sintrade prover av två elektroaktiva material, litiumtitanat och litiumkoboltoxid.

Att förstå hur litiumet rör sig i batterielektroder är viktigt för att designa batterier som kan laddas och laddas ur snabbare. I vissa batterier är detta den långsammaste processen, vilket innebär att en förbättring av litiumrörelsen genom elektroderna kan resultera i batterier som kan laddas upp mycket snabbare.

"När elektroderna är relativt tjocka, transport av litiumjoner genom det porösa materialet och separatorarkitekturen kan begränsa laddnings- och urladdningshastigheter, " sa Gary Koenig, en docent i kemiteknik vid UVA Engineering. "För att utveckla metoder för att förbättra litiumjontransporten genom en elektrods porösa tomrum fyllda med elektrolyt, vi måste först kunna spåra transporten och distributionen av joner i en cell under laddnings- och urladdningsprocesserna."

Enligt Koenig, andra tekniker som högupplöst röntgendiffraktion kan ge detaljerade strukturella data under elektrokemiska processer, men denna metod är typiskt för ett genomsnitt av relativt stora volymer av materialet. Liknande, Röntgenfasavbildning kan visualisera saltkoncentrationer i batterielektrolyter, men tekniken kräver en speciell spektrokemisk cell och kan endast få tillgång till sammansättningsinformation mellan elektrodregionerna.

För att få detaljerad information över ett större område, forskarna genomförde sina studier med neutroner vid den kalla neutronavbildningsstrållinjen vid Oak Ridges High Flux Isotope Reactor.

"Litium har en stor absorptionskoefficient för neutroner, vilket innebär att neutroner som passerar genom ett material är mycket känsliga för dess litiumkoncentrationer, " sa Ziyang Nie, huvudförfattare och doktorand i Koenigs grupp. "Vi visade att vi kunde använda neutronröntgenbilder för att spåra in situ litium i tunna och tjocka metalloxidkatoder inuti battericeller. Eftersom neutroner är mycket penetrerande, vi behövde inte bygga anpassade celler för analysen och kunde spåra litiumet över hela den aktiva regionen som innehöll både elektroder och elektrolyt."

Att jämföra litieringsprocessen i tunna och tjocka elektroder är väsentligt för att underlätta förståelsen av effekterna av heterogenitet – lokala variationer i mekaniska, strukturell, transport och kinetiska egenskaper – på batteritid och prestanda. Lokal heterogenitet kan också resultera i ojämn batteriström, temperaturer, laddningstillstånd och åldrande. Vanligtvis, när tjockleken på en elektrod ökar, så gör de skadliga effekterna av heterogenitet på batteriets prestanda. Än, om tjockare anoder och katoder kunde användas i batterier utan att påverka andra faktorer, det skulle bidra till att öka energilagringskapaciteten.

För de första experimenten, de tunna elektrodproverna hade en tjocklek på 0,738 mm för litiumtitanat och 0,463 mm för litiumkoboltoxid, medan proverna av tjock litiumtitanat och litiumkoboltoxid var 0,886 mm och 0,640 mm, respektive.

"Vårt omedelbara mål är att utveckla en modell som hjälper oss att förstå hur man modifierar strukturen på en elektrod, som att ändra hur materialet är orienterat eller distribuerat, kan förbättra jontransportegenskaper, " sa Koenig. "Genom att avbilda varje prov vid olika tidpunkter, vi kunde skapa 2D-kartor över litiumdistribution. I framtiden, vi planerar att rotera våra prover inom neutronstrålen för att tillhandahålla 3D-information som kommer att avslöja mer detaljerat hur heterogenitet påverkar jontransporten."