Litiumjonbatterier släpper lös elektricitet när elektrokemiska reaktioner sprids genom aktiva material. Att manipulera denna komplexa process och driva in reaktionerna i det energirika hjärtat av varje del av dessa aktiva material är avgörande för att optimera uteffekten och den ultimata energikapaciteten hos dessa batterier.

Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory och samverkande institut har kartlagt dessa reaktionsvägar i atomskala och kopplat dem till batteriets urladdningshastighet.

Tvärtemot förväntningarna, en långsam urladdningshastighet tillåter elektrokemiska "fingrar" att penetrera elektrodmaterialet och bända loss dess lagrade energi genom en process som kallas lithiation. Under höghastighetsutsläpp, dock, dessa lithiation fingrar långsamt penetrera lager för lager på ett mycket mer ineffektivt sätt.

"Det här modellsystemet avslöjar det avgörande samspelet mellan urladdningshastigheten och litiummönstret, sa Dong Su, som ledde forskningen vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN). "De subtila mönstren vi ser kan hjälpa oss att utveckla överlägsna batteriarkitekturer som accelererar litiumpenetration och förbättrar den övergripande prestandan."

Arbetet utfördes vid Brookhaven Labs CFN och National Synchrotron Light Source, och SLAC National Accelerator Laboratorys Stanford Synchrotron Radiation Light Source—alla DOE Office of Science User Facilities. Studien, publicerad den 29 januari, 2015, i journalen Nanobokstäver , inkluderar medarbetare från Cornell University, Colorado School of Mines, Lawrence Berkeley National Laboratory, Stony Brook University, och Massachusetts Institute of Technology.

"Den första användningen av dessa nickeloxidelektrodmaterial för att lagra och ladda ur energi hjälper faktiskt till att bestämma materialets framtida prestanda, sa Kai He, den första författaren och en postdoktor som arbetar vid CFN. "Utsläppsprocessen börjar nära ytan, och rör sig sedan in i interiören genom "fingrar" för att låsa upp materialets fulla kapacitet. Det fina är att vi kunde se denna övergång ske för första gången."

"Krypande" fingrar

Studien visade att flera olika reaktionsvägar kan förekomma i dessa material. Även om ytreaktionerna rör sig snabbt, de tränger inte djupt in i materialet, så denna reaktionsväg kan bara bidra med en liten del till batteriets totala energikapacitet och produktion.

"Över tid, ytnära reaktionen fortplantar sig likformigt från den yttre ytan av varje nanopartikel inåt från alla riktningar - det här är vad vi kallar krympande kärna - men det kan vara exceptionellt långsamt, "Sade han. "Den inre kapaciteten förblir mestadels orörd tills lithieringsfingrarna bildas."

Dessa kärnbildningsfingrar sprider sig sedan ungefär som trädrötter som kryper genom energifylld jord, låsa upp elektricitet allt eftersom.

"Vi förväntade oss att den här processen skulle ske mycket snabbare under höghastighetsutsläpp, men vi fann att motsatsen var sann, " Sade Su. "Höga hastigheter spred sig över materialets yta, men stannar sedan plötsligt. Vid låga urladdningshastigheter, dock, de penetrerande fingrarna bildades snabbt och öppnade vägen för stadiga, användning med hög kapacitet."

Lithiation-fingrarna – nyckeln till att låsa upp full kapacitet – kräver en fast inkubationstid för att bildas och växa, som sätter upp en tidsgräns för effektiv, höghastighetsenergilagring i litiumjonbatterier.

Sa studie medförfattare Feng Lin, en materialforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory, "Vi valde att utföra vår studie med unikt designade nickeloxidmaterial i nanoskala. Dessa material är något tvådimensionella, och tillhandahålla tydliga kristallorienteringar för experimentell observation och teoretisk modellering. Vi förväntar oss att liknande fenomen är tillämpliga på andra relaterade elektrodmaterial."

Röntgen- och elektronsonder

Samarbetet kombinerade data från elektronmikroskopi, röntgenspektroskopi, och beräkningsmodellering.

"Vi använde elektronstrålar fokuserade till en storlek av 1 Ångström (10-10 meter) för att kartlägga de fysiska vägarna för dessa reaktioner, sa Eric Stach, som var medförfattare till denna artikel och leder CFN:s elektronmikroskopigrupp. "Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, vi gjorde filmer i realtid av lithiationsmönstren. Detta gjorde det möjligt för oss att direkt visualisera hur denna process sker på nanoskala. Vi karakteriserade också litiumjonproverna efter urladdning för att ytterligare kartlägga de strukturella och kemiska förändringarna med tredimensionell elektrontomografi."

Dessa data bekräftades av röntgenspektroskopistudier utförda vid Brookhavens National Synchrotron Light Source och SLAC Labs Stanford Synchrotron Radiation Light Source.

Röntgenstudierna spårade kvantitativt de kemiska förändringarna i proverna, avslöjar hastigheten för lithieringsreaktioner och den kemiska strukturen som utvecklas. Beräkningsmodeller hjälpte sedan till att tolka dessa data och förklara den elektrokemiska kopplingen mellan urladdningshastighet och reaktionsutbredning.

"Omfattningen av talang, expertis, och instrument från labb över hela landet låter oss få ett komplett porträtt av hela reaktionen på alla relevanta längdskalor, kopplar elektrokemi och reaktionsmekanism med nanostrukturer, " sa han.

Forskarna planerar att tillämpa samma metodik på fler system och utöka dess användning som en guide för nya, högpresterande batteriteknik.