En illustration visar ett batteris katod som genomgår fasövergång från järnfosfat (FP) till litiumjärnfosfat (LFP) under laddning. Simuleringar av forskare från Rice University visade att tillägg av defekter - förvrängningar i deras kristallgitter - kan hjälpa batterierna att laddas snabbare. Kredit:Kaiqi Yang/Rice University
Här är ett fall där omvägar påskyndar trafiken. Resultatet kan bli bättre batterier för transport, elektronik och solenergilagring.
Forskare vid Rice Universitys Brown School of Engineering har upptäckt att placering av specifika defekter i det kristallina gittret av litiumjärnfosfatbaserade katoder vidgar vägarna genom vilka litiumjoner färdas. Deras teoretiska beräkningar kan förbättra prestanda upp till två storleksordningar och peka på vägen till liknande förbättringar av andra typer av batterier.
Dessa defekter, kända som antisites, bildas när atomer placeras på fel positioner på gittret, dvs. när järnatomer sitter på de platser som borde vara upptagna av litium. Antisitedefekter hindrar litiumrörelse inuti kristallgittret och anses vanligtvis vara skadligt för batteriets prestanda.
För litiumjärnfosfat, dock, Rice-forskarna upptäckte att de skapar många omvägar inuti katoden och gör det möjligt för litiumjoner att nå reaktionsfronten över en bredare yta, vilket hjälper till att förbättra laddnings- eller urladdningshastigheten för batterierna.
Forskningen visas i tidskriften Nature Beräkningsmaterial .
Rice University doktorand Kaiqi Yang, vänster, och materialforskaren Ming Tang modellerade hur tekniska defekter i atomgittret hos en järnfosfatkatod kan förbättra prestanda hos litiumjonbatterier. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Litiumjärnfosfat är ett mycket använt katodmaterial för litiumjonbatterier och fungerar också som ett bra modellsystem för att studera fysiken som ligger bakom battericykelprocessen, sade rismaterialforskaren Ming Tang, som utförde forskningen med alumnen Liang Hong, nu forskare på MathWorks, och doktorand Kaiqi Yang.
Vid införande av litium, katoden ändras från en litiumfattig fas till en litiumrik, sa Tang, en biträdande professor i materialvetenskap och nanoteknik. När ytreaktionskinetiken är trög, litium kan bara infogas i litiumjärnfosfat inom ett smalt ytområde runt fasgränsen - "vägen" - ett fenomen som begränsar den hastighet med vilken batteriet kan laddas.
"Om det inte finns några defekter, litium kan bara komma in i denna lilla region precis runt fasgränsen, " sade han. "Men, antisitedefekter kan göra att litiuminförande sker mer enhetligt över ytan, och så skulle gränsen röra sig snabbare och batteriet skulle laddas snabbare.
"Om du tvingar den defektfria katoden att laddas snabbt genom att applicera en hög spänning, det kommer att finnas ett mycket högt lokalt litiumflöde vid ytan och detta kan orsaka skada på katoden, "Det här problemet kan lösas genom att använda defekter för att sprida flödet över hela katodytan."
Glödgning av materialet – uppvärmning utan att bränna det – skulle kunna användas för att kontrollera koncentrationen av defekter. Tang sa att defekter också skulle tillåta större katodpartiklar än kristaller i nanoskala att användas för att förbättra energitätheten och minska ytförsämring.
"En intressant förutsägelse av modellen är att denna optimala defektkonfiguration beror på partiklarnas form, " han sa, "Vi såg att aspekter av en viss inriktning kunde göra omvägarna mer effektiva vid transport av litiumjoner. Därför, du kommer att vilja ha fler av dessa aspekter exponerade på katodytan."
Tang sa att modellen skulle kunna användas som en allmän strategi för att förbättra fasförändrande batteriföreningar.
"För konstruktionsmaterial som stål och keramik, människor leker med defekter hela tiden för att göra material starkare, "sa han." Men vi har inte pratat mycket om att använda defekter för att göra bättre batterimaterial. Vanligtvis, människor ser defekter som irritationsmoment som ska elimineras.
"Men vi tror att vi kan förvandla defekter till vänner, inte fiender, för bättre energilagring. "
