En apparat som används för att ladda litiumjonmyntcellsbatterier med olika hastigheter med olika strömnivåer vid Stanford Institute for Materials Science and Engineering. Resultaten indikerar att fördelarna med långsam tömning och laddning kan ha överskattats. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
En omfattande titt på hur små partiklar i en litiumjonbatterielektrod beter sig visar att snabb laddning av batteriet och användning av det för att göra högeffekt, snabbt tömande arbete kanske inte är så skadligt som forskare hade trott - och att fördelarna med långsam tömning och laddning kan ha överskattats.
Resultaten utmanar den rådande uppfattningen att "överladdning" av batterier alltid är svårare för batterielektroder än laddning med långsammare hastigheter, enligt forskare från Stanford University och Stanford Institute for Materials &Energy Sciences (SIMES) vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory.
De föreslår också att forskare kanske kan modifiera elektroder eller ändra hur batterier laddas för att främja mer enhetlig laddning och urladdning och förlänga batteriets livslängd.
"Den fina detaljen av vad som händer i en elektrod under laddning och urladdning är bara en av många faktorer som avgör batteriets livslängd, men det är en som, fram till denna studie, förstod inte tillräckligt, "sa William Chueh från SIMES, en biträdande professor vid Stanfords institution för materialvetenskap och teknik och senior författare till studien. "Vi har hittat ett nytt sätt att tänka på batteriförsämring."
Resultaten, han sa, kan appliceras direkt på många oxid- och grafitelektroder som används i dagens kommersiella litiumjonbatterier och i ungefär hälften av dem under utveckling.
Hans team beskrev studien 14 september, 2014, i naturmaterial. Teamet inkluderade medarbetare från Massachusetts Institute of Technology, Sandia National Laboratories, Samsung Advanced Institute of Technology America och Lawrence Berkeley National Laboratory.
Stanford University doktorand Yiyang Li testar litiumjonmyntcellsbatterier vid Stanford Institute for Materials &Energy Sciences. Li och hans kollegor undersökte hur miljarder nanopartiklar i batteriets positiva elektrod svarar på olika laddnings- och urladdningshastigheter. Resultaten visar att snabbt laddning och tömning av batteriet kanske inte är så skadligt som man tidigare trott. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
Tittar på joner i batteriskivor
En viktig källa till batterislitage är svullnad och krympning av de negativa och positiva elektroderna när de absorberar och släpper ut joner från elektrolyten under laddning och urladdning.
För denna studie tittade forskare på en positiv elektrod gjord av miljarder nanopartiklar litiumjärnfosfat. Om de flesta eller alla dessa partiklar aktivt deltar i laddning och urladdning, de kommer att absorbera och släppa ut joner mer försiktigt och enhetligt. Men om bara en liten andel partiklar suger upp alla joner, de är mer benägna att spricka och förstöras, försämrar batteriets prestanda.
Tidigare studier gav motstridiga uppfattningar om hur nanopartiklarna betedde sig. För att undersöka ytterligare, forskare tillverkade små myntcellsbatterier, laddat dem med olika strömnivåer under olika tidsperioder, tog snabbt isär dem och sköljde komponenterna för att stoppa laddnings-/urladdningsprocessen. Sedan skar de elektroden i extremt tunna skivor och tog dem till Berkeley Lab för undersökning med intensiva röntgenstrålar från Advanced Light Source synchrotron, en DOE Office of Science User Facility.
En forskare från Stanford/SLAC håller den positiva elektroden från ett litiumjonmyntcellsbatteri som används i experiment. Forskare laddade dessa batterier med olika strömnivåer under olika tidsperioder, tog isär dem och använde en lysande röntgenstråle för att se hur laddningen fördelades mellan miljarder nanopartiklar i den positiva elektroden. Kredit:SLAC National Accelerator Laboratory
Ny insikt om snabbare urladdning
"Vi kunde titta på tusentals elektrodnanopartiklar åt gången och få ögonblicksbilder av dem i olika skeden under laddning och urladdning, "sade Stanford doktorand Yiyang Li, rapportens huvudförfattare. "Denna studie är den första som gör det heltäckande, under många laddnings- och urladdningsförhållanden. "
Analysera data med hjälp av en sofistikerad modell utvecklad vid MIT, forskarna upptäckte att endast en liten andel nanopartiklar absorberade och släppte ut joner under laddning, även när det gjordes mycket snabbt. Men när batterierna laddades ur, en intressant sak hände:När utsläppshastigheten ökade över en viss tröskel, fler och fler partiklar började absorbera joner samtidigt, växla till ett mer enhetligt och mindre skadligt läge. Detta tyder på att forskare kanske kan justera elektrodmaterialet eller processen för att få snabbare laddning och urladdning samtidigt som batteriets livslängd bibehålls.
Nästa steg, Li sa, är att köra batterielektroderna genom hundratals till tusentals cykler för att efterlikna verkliga prestanda. Forskarna hoppas också kunna ta ögonblicksbilder av batteriet medan det laddas och laddas ur, snarare än att stoppa processen och ta isär den. Detta borde ge en mer realistisk syn, och kan göras på synkrotroner som ALS eller SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, också en DOE Office of Science User Facility. Li sa att gruppen också har arbetat med industrin för att se hur dessa fynd kan gälla inom transport- och konsumentelektronikbranschen.
