En granskning av en forskargrupp från Tianjin University of Technology använde olika avancerad elektronmikroskopi och associerade karakteriseringstekniker för att klargöra två strukturbaserade mekanismer för litiumjonbatterier. Kredit:Nano Research Energy , Tsinghua University Press
Att se är att tro – eller snarare, att se kan hjälpa till att förstå, särskilt när det kommer till mekanismerna bakom litiumjonbatterier. Trots nästan allestädes närvarande användning i mobiltelefoner, datorer och mer, förblir de komplexa elektrokemiska miljöerna för litiumjonbatterier grumliga.
För att bättre förstå och förbättra batteriprestanda undersökte forskare den aktuella vetenskapliga litteraturen och använde elektronmikroskopi för att ta en närmare titt på laddningsöverförings- och litiumjonmigreringsmekanismerna som producerar kraft. Denna studie publicerades i Nano Research Energy .
"Kommersiella litiumjonbatterier används i stor utsträckning som energilagringsenheter, inklusive elfordon, bärbar elektronik och nätenergilagring", säger Yi Ding, professor vid Tianjin University of Technology. "Energi, effekt, laddnings-urladdningshastighet, kostnad, livslängd, säkerhet och miljöpåverkan måste beaktas när litiumjonbatterier används för en lämplig tillämpning, men varje specifik tillämpning står inför en mängd olika utmaningar."
Mängden energi som lagras är viktig för bärbar elektronik, medan kostnad och säkerhet är viktigare för till exempel elfordon. Kostnad och säkerhet är också viktiga för energinätets behov, men energitätheten blir mindre än för elfordon. Avvägningen mellan dessa element skiftar beroende på behov, men förmågan att ställa in prestanda begränsas av ofullständig förståelse av materialen som används i batterier.
"De aktiva elektrodmaterialen är huvuddelen som är ansvarig för cellens kemi och prestanda och påverkar i slutändan kommersialiseringen av det konstruerade batteriet," sa Ding.
"Prestandan, såsom cykellivslängd och energitäthet, för befintliga kommersiella elektrodmaterialsystem behöver fortfarande förbättras, så det är viktigt att förstå de inneboende fysikaliska och kemiska egenskaperna, såsom strukturell utveckling/kinetik under litiumav-inbäddning och effekt av elektrod-elektrolytgränssnitt på prestanda hos litiumjonbatterier."
Forskarna granskade de senaste framstegen inom elektronmikroskopi för att se hur traditionella karaktäriseringstekniker mäter sig när det gäller att förstå sambanden mellan struktur och aktivitet hos kommersiella litiumjonbatterier.
"Genom att jämföra med karaktäriseringsinnehållet som erhålls genom traditionella karakteriseringstekniker, såsom röntgendiffraktion och röntgenfotoelektronspektroskopi, illustrerar vi fördelarna och begränsningarna med vanliga elektroniska mikroskop och nyligen utvecklade avancerade elektroniska mikroskopiska karakteriseringstekniker, såsom in situ elektroner mikroskopiteknik, i denna kritiska forskning," sa Ding.
Forskarna undersökte hur avancerad elektronmikroskopi och tillhörande karakteriseringstekniker kan ge olika insikter om hur till exempel litiumjoner vandrar i batteriet för att producera laddning eller hur laddningsöverföring kan utlösa energianvändning.
De fokuserade specifikt på övergångsmetallupplösning och laddningsöverföringsmekanism i laddnings-urladdningsprocessen för litiumjonbatteriets positiva elektroder; strukturen och utvecklingen av katod-elektrodgränssnitt och fast elektrolytinterfas under långvarig cykling; och effekten av elektrodstruktur och gränssnitt på litiumjonmigrering.
Slutsatsen, enligt Ding, är att nästa generations litiumjonbatteriteknologier med bättre kostnads- och prestandafördelar behövs.
"Vi föreslår möjligheten att kombinera elektronmikroskopi med andra tekniker för att få mer omfattande information," sa Ding och noterade att elektronmikroskopi har tre vanliga begränsningar i batteribedömning.
Dessa inkluderar inkonsekventa elektrokemiska miljöer mellan elektronmikroskopifält och faktiska batterier; instabila tidsfönster som kan skeva data relaterade till provets utveckling; och vissa batterier kan inte kvantitativt bedömas på nanoskala. "Även med begränsningar tillåter dessa diskussioner forskare att få en djupare förståelse för hur kommersiella litiumjonbatterier fungerar i mikroskala och ger vägledning för designstrategier för högpresterande praktiska batterier," noterade forskarna. + Utforska vidare
