Molekylstrukturen för litiumjärnfosfat (LiFePO4)
Sedan upptäckten för 15 år sedan, litiumjärnfosfat (LiFePO 4 ) har blivit ett av de mest lovande materialen för laddningsbara batterier på grund av dess stabilitet, varaktighet, säkerhet och förmåga att leverera mycket kraft på en gång. Det har varit i fokus för stora forskningsprojekt runt om i världen, och en ledande teknik som används i allt från elverktyg till elfordon. Men trots detta stora intresse, orsakerna till litiumjärnfosfats ovanliga laddnings- och urladdningsegenskaper har varit oklara.
Nu, forskning av MIT -docent i kemiteknik och matematik Martin Z. Bazant har gett överraskande nya resultat som visar att materialet beter sig ganska annorlunda än man hade trott, hjälper till att förklara dess prestanda och möjligen öppna dörren för upptäckten av ännu mer effektiva batterimaterial.
De nya insikterna om litiumjärnfosfats beteende beskrivs detaljerat i ett papper som publicerades i veckan i tidningen ACS Nano , skriven av Bazant och postdoc Daniel Cogswell. Tidningen är en förlängning av forskning som de rapporterade i slutet av förra året i tidningen Nano bokstäver .
När det först upptäcktes, litiumjärnfosfat ansågs användbart endast för applikationer med låg effekt. Sedan, senare utvecklingar-av forskare inklusive MIT:s Yet-Ming Chiang, Kyocera -professorn i keramik - visade att dess effektkapacitet kunde förbättras dramatiskt genom att använda den i nanopartikelform, ett tillvägagångssätt som gjorde det till ett av de bästa materialen som är kända för applikationer med hög effekt.
Men anledningarna till att nanopartiklar av LiFePO 4 fungerade så bra förblev svårfångat. Det var en allmän uppfattning att medan han laddades eller laddades ut, bulkmaterialet separerat i olika faser med mycket olika koncentrationer av litium; denna fasseparation, Det var tänkt, begränsade materialets effektkapacitet. Men den nya forskningen visar att under många verkliga förhållanden, denna separation händer aldrig.
Bazants teori förutspår att ovanför en kritisk ström, reaktionen är så snabb att materialet tappar sin tendens till fasseparationen som sker vid lägre effektnivåer. Strax under den kritiska strömmen, materialet passerar genom ett nytt tillstånd av "kvasi-fast lösning", där det "inte har tid att slutföra fasseparationen, " han säger. Dessa egenskaper hjälper till att förklara varför detta material är så bra för laddningsbara batterier, han säger.
Resultaten härrör från en kombination av teoretisk analys, datormodellering och laboratorieexperiment, Bazant förklarar-ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt som återspeglar hans egna gemensamma utnämningar på MIT:s avdelningar för kemiteknik och matematik.
Tidigare analyser av detta material hade undersökt dess beteende vid en enda tidpunkt, ignorerar dynamiken i dess beteende. Men Bazant och Cogswell studerade hur materialet förändras under användning, antingen under laddning eller urladdning av ett batteri - och dess förändrade egenskaper med tiden visade sig vara avgörande för att förstå dess prestanda.
"Det här har inte gjorts tidigare, Säger Bazant. Vad de hittade, han lägger till, är ett helt nytt fenomen, och en som kan vara viktig för att förstå prestanda för många batterimaterial - vilket innebär att detta arbete kan vara betydande även om litiumjärnfosfat slutar överges till förmån för andra nya material.
Forskare hade trott att litium gradvis sugs in i partiklarna utifrån, producerar en krympande kärna av litiumfattigt material i mitten. Vad MIT -teamet fann var helt annorlunda:Vid låg ström, litiumet bildar raka parallella band av anrikat material i varje partikel, och banden rör sig över partiklarna när de laddas upp. Men vid högre elektriska strömnivåer, det finns ingen separation alls, antingen i band eller i lager; istället, varje partikel suger upp litiumet på en gång, förvandlas nästan omedelbart från litiumfattiga till litiumrika.
Det nya fyndet hjälper också till att förklara litiumjärnfosfatets hållbarhet. När det finns ränder av olika faser, gränserna mellan dessa ränder är en källa till påfrestningar som kan orsaka sprickbildning och gradvis försämrad prestanda. Men när hela materialet ändras på en gång, det finns inga sådana gränser och därmed mindre nedbrytning.
Det är ett ovanligt fynd, Bazant säger:”Vanligtvis, om du gör något snabbare, du gör mer skada, men i det här fallet är det tvärtom. ” Liknande, han och Cogswell förutspår att arbetet vid en något högre temperatur faktiskt skulle göra att materialet håller längre, som strider mot typiskt materialbeteende.
Förutom att se hur materialet förändras med tiden, Att förstå hur det fungerar innebar att titta på materialet i skalor som andra inte hade undersökt:Medan mycket analys hade gjorts på atomen och molekylernas nivå, det visade sig att nyckelfenomenen endast kunde ses i skala nanopartiklarna själva, Bazant säger - många tusen gånger större. ”Det är en storleksberoende effekt, " han säger.
MIT materialvetenskapsprofessor Gerbrand Ceder observerade och skrev om litiumjärnfosfats beteende vid höga aktuella nivåer förra året; nu, Bazants teoretiska analys kan leda till en bredare förståelse, inte bara av detta material, men också andra som kan genomgå liknande förändringar.
Troy Farrell, docent i matematik vid Queensland University of Technology i Australien, som inte var inblandad i detta arbete, säger att dessa fynd är av stor betydelse för dem som forskar om litiumbatterier. Han tillägger att denna nya förståelse ”gör det möjligt för materialvetare att utveckla nya strukturer och föreningar som i slutändan leder till batterier som har längre livslängd och högre energitäthet. Det här är vad som krävs för att batteriteknik ska användas i applikationer med hög effekt som elfordon. ”
Att förstå varför litiumjärnfosfat fungerar så bra var "ett av de mest intressanta vetenskapliga pussel jag stött på, Säger Bazant. "Det tog fem år att komma på detta."
Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.
