Forskare vid Sandia National Laboratories har bekräftat partikel-för-partikel-mekanismen genom vilken litiumjoner rör sig in och ut ur elektroder gjorda av litiumjärnfosfat (LiFePO ₄ , eller LFP), fynd som kan leda till bättre prestanda i litiumjonbatterier i elfordon, medicinsk utrustning och flygplan.

Forskningen redovisas i en artikel med titeln, "Intercalation Pathway in Many-Pticle LiFePO4 Electrode Revealed by Nanoscale State-of-Charge Mapping" i tidskriften Nanobokstäver , 2013, 13 (3), sid. 866-872. Författarna inkluderar Sandia-fysikern Farid El Gabaly och William Chueh från Stanford University.

LFP, ett naturligt mineral från olivinfamiljen, är ett av de nyare materialen som används i litiumjonbatterier och är känt för att vara säkrare och hållbarare än litiumkoboltoxiden (LiCoO) ₂ ) förening som används i smarta telefoner, bärbara datorer och annan hemelektronik.

Även om LFP-material är spännande för forskare och batteritillverkare av dessa skäl, den process genom vilken litiumjoner rör sig in och ut ur LFP när batteriet lagrar och frigör sin energi är inte väl förstått. Detta har visat sig vara ett hinder för materialets utbredda användning.

Katodmaterial som LFP är avgörande i sökandet efter högre kapacitet, långt liv, litiumjonbatterier för applikationer där batterier inte kan bytas lika lätt eller så ofta som de är i hemelektronik. Större applikationer där litiumkoboltoxidceller så småningom kan ersättas av LFP-batterier inkluderar elfordon och flygplan.

Popcornliknande partikelrörelser sedda via mikroskopiteknik

Genom att observera kompletta batteritvärsnitt, forskarna har gett viktiga insikter om en kontrovers över processen som begränsar batteriets laddnings- och urladdningshastigheter.

Tidigare försök att optimera laddnings-/urladdningshastigheten har inkluderat beläggning av partiklarna för att öka deras elektriska ledningsförmåga och minska partikelstorleken för att påskynda deras omvandling, men har förbisett initieringsprocessen som mycket väl kan vara det kritiska hastighetsbegränsande steget på det sätt som litium rör sig från en partikels yttre till dess inre.

Genom att använda röntgenmikroskopi för att undersöka ultratunna skivor av ett batteri av kommersiell kvalitet, Sandia-forskare fann bevis för att laddning och urladdning i LFP begränsas av initieringen av fastransformation, eller kärnbildning, och är opåverkad av partikelstorlek.

LFP-elektroden bildar en mosaik av homogena partiklar som antingen är i ett litiumrikt eller litiumfattigt tillstånd. Sandia-forskningen bekräftar partikel för partikel, eller mosaik, väg för fastransformationer på grund av införande av litiumjoner i katoden. Fynden motsäger tidigare antaganden.

"En utbredningsteori sa att när alla partiklar exponerades för litium, de skulle alla börja ladda ur långsamt tillsammans i en samtidig fastransformation, ", sa El Gabaly. "Vi har nu sett att processen är mer som popcorn. En partikel är helt urladdad, sedan nästa, och de går en efter en som popcorn, absorberar litium."

Skiva-och-tärning hjälper förståelsen av litiumjonladdning

Litiumjoner rör sig in och ut ur batterielektrodmaterial när de laddas och urladdas. När ett laddningsbart litiumjonbatteri laddas, en extern spänningskälla extraherar litiumjoner från katodmaterialet (positiv elektrod), i en process som kallas "delithiation". Litiumjonerna rör sig genom elektrolyten och sätts in (interkalerade) i anodmaterialet (negativ elektrod), i en process som kallas "lithiation". Samma process sker omvänt när energi laddas ur batteriet.

"Vi observerade att det bara fanns två faser, där partikeln antingen hade litium eller inte, " sade El Gabaly. "I många tidigare studier, forskare har fokuserat på att förstå laddningsprocessen inuti en partikel."

El Gabaly och hans Sandia-kollegor tog en skiva bara lite tjockare än ett människohår från ett batteri av kommersiell kvalitet, bara ett lager av LFP-partiklar, och kartlade platsen för litiumet i cirka 450 partiklar när batteriet var i olika laddningstillstånd.

"Vår upptäckt möjliggjordes genom att kartlägga litiumet i en relativt stor partikelensemble, " han sa.

Många verktyg, anläggningar bidrar till forskning

Forskarna kunde bygga ett myntcellsbatteri av kommersiell kvalitet från råmaterial med hjälp av Sandias prototypanläggning för cellbatterier i New Mexico, som är den största anläggningen för energidepartementet som är utrustad för att tillverka små mängder litiumjonceller. Batteriet laddades sedan, testade för normalt beteende, och demonteras på Sandias Livermore, Kalifornien, facilitet genom en ny metod för att skära skikt som bevarade det rumsliga arrangemanget från katoden till anoden.

Sandia-forskarna gick till Lawrence Berkeley National Laboratory för att karakterisera materialen med toppmodern röntgenmikroskopi (STXM) vid Advanced Light Source (ALS), och återvände sedan till Sandias plats i Kalifornien för studier med transmissionselektronmikroskopi (TEM).

"Röntgenspektroskopin från ALS berättar vad som finns inuti en enskild partikel, eller var litiumet är, men den har låg rumslig upplösning. Vi behövde elektronmikroskopin av samma skiva för att berätta var alla partiklar var fördelade över hela lagret av batteriet, " sa Chueh, en före detta Sandia Truman Fellow som är huvudförfattare till tidskriftsartikeln och en biträdande professor och center fellow vid Precourt Institute of Energy vid Stanford University.

Sandias forskargrupp och andra presenterade sina tekniska rön vid det senaste Materials Research Society Spring Meeting i San Francisco. Som ett resultat av den presentationen, El Gabaly sa, andra forskare använder resultaten för att validera teoretiska modeller. Teamet kan också samarbeta med industrin, eftersom ett företag redan har visat ett starkt intresse av att Sandia genomför liknande studier på olika, mer komplexa batterimaterial.