En simulering baserad på röntgenförsök vid SLAC visar vad som händer med en enda batterielektrodpartikel när den laddas under 12 minuter. Partikeln sväller och krymper när litiumjoner kommer in och lämnar, orsakar partikeln att spricka (svarta linjer). Sedan sipprar elektrolyt in i sprickorna och skadar interiören, minska volymen där litiumjoner kan lagras (rödaktigt område) och därmed partikelns förmåga att lagra energi. Studien fann att interaktioner mellan partikelns yta och inre är viktiga för att förstå dessa skademönster. Upphovsman:S. Li et al., Naturkommunikation , 2020
Partiklarna som bildar litiumjonbatterielektroder är mikroskopiska men mäktiga:De avgör hur mycket laddning batteriet kan lagra, hur snabbt den laddas och laddas ur och hur den håller över tiden - allt avgörande för hög prestanda i ett elfordon eller en elektronisk enhet.
Sprickor och kemiska reaktioner på en partikels yta kan försämra prestanda, och hela partikelns förmåga att absorbera och släppa litiumjoner förändras också med tiden. Forskare har studerat båda, men fram till nu hade de aldrig tittat på både ytan och insidan av en enskild partikel för att se hur det som händer i en påverkar den andra.
I en ny studie, en forskargrupp ledd av Yijin Liu vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory gjorde det. De fastnade en enda batterikatodpartikel, ungefär lika stor som en röd blodkropp, på en nålspets och undersökte dess yta och insida i 3D med två röntgeninstrument. De upptäckte att sprickbildning och kemiska förändringar på partikelns yta varierade mycket från plats till plats och motsvarade områden med mikroskopisk sprickbildning djupt inne i partikeln som minskade dess kapacitet att lagra energi.
"Våra resultat visar att ytan och insidan av en partikel talar till varandra, i grund och botten, "sade SLAC -forskaren Yijin Liu, som ledde studien vid laboratoriets Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL). "Att förstå denna kemiska konversation hjälper oss att konstruera hela partikeln så att batteriet kan cykla snabbare, till exempel."
Forskarna beskriver sina fynd i Naturkommunikation i dag.
Skador både inne och ute
Ett litiumjonbatteri lagrar och frigör energi genom att flytta litiumjoner genom en elektrolyt fram och tillbaka mellan två elektroder, anoden och katoden. När du laddar batteriet, litiumjoner rusar in i anoden för lagring. När du använder batteriet, jonerna lämnar anoden och flyter in i katoden, där de genererar ett flöde av elektrisk ström.
Varje elektrod består av många mikroskopiska partiklar, och varje partikel innehåller ännu mindre korn. Deras struktur och kemi är nyckeln till batteriets prestanda. När batteriet laddas och laddas ur, litiumjoner sipprar in och ut ur utrymmena mellan partiklarnas atomer, får dem att svälla och krympa. Med tiden kan detta spricka och bryta partiklar, minska deras förmåga att absorbera och släppa ut joner. Partiklar reagerar också med den omgivande elektrolyten för att bilda ett ytskikt som hindrar joner att komma in och ut. När sprickor utvecklas, elektrolyten tränger djupare in för att skada inredningen.
Bilder gjorda med ett röntgenmikroskop visar partiklar i en nickelrik skiktad oxidbatterielektrod (vänster). I en SLAC -studie, forskare svetsade en enda laddad partikel till spetsen av en volframnål (höger) så att de kunde undersöka dess yta och inre med två röntgeninstrument. Partikeln är ungefär lika stor som en röd blodkropp. Upphovsman:S. Li et al., Naturkommunikation , 2020
Denna studie fokuserade på partiklar gjorda av en nickelrik skiktoxid, som teoretiskt kan lagra mer laddning än dagens batterimaterial. Den innehåller också mindre kobolt, gör det billigare och mindre etiskt problematiskt, eftersom en del koboltbrytning innebär omänskliga förhållanden, Sa Liu.
Det finns bara ett problem:Partiklarnas kapacitet att lagra laddning försvinner snabbt under flera omgångar med högspänningsladdning-den typ som används för att snabbt ladda elfordon.
"Du har miljontals partiklar i en elektrod. Var och en är som en risboll med många korn, "Sa Liu." De är byggstenarna i batteriet, och var och en är unik, precis som varje person har olika egenskaper. "
Tämja ett nästa generations material
Liu sa att forskare har arbetat med två grundläggande tillvägagångssätt för att minimera skador och öka prestanda för partiklar:Att sätta en skyddande beläggning på ytan och packa ihop kornen på olika sätt för att ändra den inre strukturen. "Båda metoderna kan vara effektiva, "Liu sa, "men att kombinera dem skulle vara ännu mer effektivt, och det är därför vi måste ta itu med den större bilden. "
Shaofeng Li, en besökande doktorand vid SSRL som kommer att ansluta sig till SLAC som postdoktor, ledde röntgenförsök som undersökte en enda nålmonterad katodpartikel från ett laddat batteri med två instrument-ett skannar ytan, den andra undersöker interiören. Baserat på resultaten, teoretiker under ledning av Kejie Zhao, docent vid Purdue University, utvecklat en datormodell som visar hur laddning skulle ha skadat partikeln under en period av 12 minuter och hur det skademönstret återspeglar interaktioner mellan ytan och interiören.
"Bilden vi får är att det finns variationer överallt i partikeln, "Sa Liu." Till exempel, vissa områden på ytan försämras mer än andra, och detta påverkar hur interiören reagerar, vilket i sin tur gör att ytan bryts ner på ett annat sätt. "
Nu, han sa, laget planerar att tillämpa denna teknik på andra elektrodmaterial som de har studerat tidigare, med särskild uppmärksamhet på hur laddningshastigheten påverkar skademönstren. "Du vill kunna ladda din elbil på 10 minuter snarare än flera timmar, " han sa, "så det här är en viktig riktning för uppföljningsstudier."
