Nya observationer av forskare vid MIT har avslöjat det inre funktionen hos en typ av elektrod som ofta används i litiumjonbatterier. De nya rönen förklarar den oväntat höga effekten och långa livslängden för sådana batterier, säger forskarna.

Fynden visas i en artikel i tidskriften Nanobokstäver medförfattare av MIT postdoc Jun Jie Niu, forskaren Akihiro Kushima, professorer Yet-Ming Chiang och Ju Li, och tre andra.

Det studerade elektrodmaterialet, litiumjärnfosfat (LiFePO4), anses vara ett särskilt lovande material för litiumbaserade uppladdningsbara batterier; det har redan demonstrerats i applikationer som sträcker sig från elverktyg till elfordon till storskalig nätlagring. MIT-forskarna fann att inuti denna elektrod, under laddning, en solid-solution zone (SSZ) bildas vid gränsen mellan litiumrika och litiumutarmade områden – regionen där laddningsaktiviteten är koncentrerad, eftersom litiumjoner dras ut ur elektroden.

Li säger att denna SSZ "teoretiskt har förutspåtts existera, men vi ser det direkt för första gången, "i transmissionselektronmikroskop (TEM) videor tagna under laddning.

Observationerna hjälper till att lösa ett långvarigt pussel om LiFePO4:I bulkkristallform, både litiumjärnfosfat och järnfosfat (FePO4, som lämnas kvar när litiumjoner vandrar ut ur materialet under laddning) har mycket dålig jonisk och elektrisk ledningsförmåga. Men när den behandlas - med dopning och kolbeläggning - och används som nanopartiklar i ett batteri, materialet uppvisar en imponerande hög laddningshastighet. "Det var ganska förvånande när denna [snabb laddning och urladdningshastighet] först visades, " säger Li.

"Vi observerade direkt en metastabil slumpmässig solid lösning som kan lösa detta grundläggande problem som har fascinerat [materialforskare] i många år, "säger Li, Battelle Energy Alliance professor i kärnkraftsvetenskap och teknik och professor i materialvetenskap och teknik.

SSZ är ett "metastabilt" tillstånd, kvarstår i minst flera minuter vid rumstemperatur. Att ersätta ett skarpt gränssnitt mellan LiFePO4 och FePO4 som har visat sig innehålla många ytterligare linjedefekter som kallas "dislokationer, "SSZ fungerar som en buffert, minska antalet dislokationer som annars skulle röra sig med den elektrokemiska reaktionsfronten. "Vi ser inga förskjutningar, " säger Li. Detta kan vara viktigt eftersom generering och lagring av dislokationer kan orsaka trötthet och begränsa en elektrods cykellivslängd.

Till skillnad från konventionell TEM-avbildning, tekniken som används i detta arbete, utvecklad 2010 av Kushima och Li, gör det möjligt att observera batterikomponenter när de laddas och laddas ur, som kan avslöja dynamiska processer. "Under de senaste fyra åren, det har skett en stor explosion av att använda sådana in situ TEM-tekniker för att studera batteridrift, " säger Li.

En bättre förståelse för dessa dynamiska processer kan förbättra prestandan hos ett elektrodmaterial genom att tillåta bättre inställning av dess egenskaper, säger Li.

Trots en ofullständig förståelse hittills, litiumjärnfosfatnanopartiklar används redan i industriell skala för litiumjonbatterier, Li förklarar. "Vetenskapen släpar efter applikationen, "säger han." Det är redan skalat och ganska framgångsrikt på marknaden. Det är en av nanoteknologins framgångshistorier. "

"Jämfört med traditionell litiumjon, [litiumjärnfosfat] är miljövänligt, och mycket stabil, " säger Niu. "Men det är viktigt att det här materialet förstås väl."

Medan upptäckten av SSZ gjordes i LiFePO4, Li säger, "Samma princip kan gälla för andra elektrodmaterial. Människor letar efter högeffektselektrodmaterial, och sådana metastabila tillstånd skulle kunna existera i andra elektrodmaterial som är inerta i bulkform. … Det upptäckta fenomenet kan vara mycket allmänt, och inte specifikt för detta material. "

Chongmin Wang, en forskare vid Pacific Northwest National Laboratory som inte var involverad i denna forskning, kallar denna tidning "bra jobbat".

"Flera modeller baserade på både teoretiskt och experimentellt arbete har föreslagits, " säger Wang. "Men, ingen av dem verkar vara avgörande."

Denna nya forskning, han säger, "ger övertygande och direkta bevis" för mekanismen i arbetet:"Arbetet är ett stort steg framåt för att driva tvetydigheterna mot att gynna en solid lösningsmodell."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.