Forskare kan ha fastställt varför ganska spröda elektrodmaterial i batterier inte spricker under påfrestningarna av expansions- och sammandragningscykler när de används och laddas om. Kredit:Jose-Luis Olivares/MIT
När du laddar ett batteri, eller när du använder den, det är inte bara elektricitet utan även materia som rör sig inuti. Joner, som är atomer eller molekyler som har en elektrisk laddning, resa från en av batteriets elektroder till den andra, får elektroderna att krympa och svälla. Faktiskt, det har varit ett långvarigt mysterium varför ganska spröda elektrodmaterial inte spricker under påfrestningarna från dessa expansions- och kontraktionscykler.
Svaret kan äntligen ha hittats. Ett team av forskare vid MIT, Syddansk Universitet, Rice University, och Argonne National Laboratory har fastställt att hemligheten ligger i elektrodernas molekylära struktur. Medan elektrodmaterialen normalt är kristallina, med alla sina atomer prydligt ordnade i en vanlig, repetitiv array, när de genomgår laddnings- eller urladdningsprocessen, de förvandlas till en oordnad, glasliknande fas som kan ta emot belastningen av dimensionsförändringarna.
De nya rönen, som kan påverka framtida batteridesign och till och med leda till nya typer av ställdon, redovisas i journalen Nanobokstäver , i en artikel av MIT-professorn i materialvetenskap och teknik Yet-Ming Chiang, doktorander Kai Xiang och Wenting Xing, och åtta andra.
I teorin, om du skulle sträcka ut ett litiumjonbatteri över ett stödpunkt, med en elektrod på varje sida, Chiang säger, "den skulle gå upp och ner som en gungbräda" när den laddades och tömdes. Förändringen i massa när joner pendlar fram och tillbaka åtföljs också av en expansion eller sammandragning som kan variera, beroende på material, "från 1 procent eller så, ända upp till kisel, som kan expandera med 300 procent, " han säger.
Dessa bilder, gjord med transmissionselektronmikroskopi, visa progressionen av natrium-olivinelektrodmaterialet, först i det ursprungliga utgångsmaterialet i pulverform (a); efter att natrium införts i olika koncentrationer (b och c); och efter en amorf, glasartad struktur bildas mellan små områden med mikrokristallin struktur (d och e). Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Denna forskning handlade om en annan typ av batteri, kallas ett natriumjonbatteri. Forskarna tittade på en viss klass av material som ses som potentiella batterikatoder (positiva elektroder), kallas fosfo-oliviner, och specifikt vid natrium-järn-fosfat (NaFePO 4 ). De fann att det är möjligt att finjustera volymförändringarna över ett mycket brett intervall – inte bara ändra hur mycket materialet expanderar och drar ihop sig, men också dynamiken i hur det gör det. För vissa kompositioner, expansionen är mycket långsam och gradvis, men för andra kan det plötsligt öka.
"Inom denna familj av oliviner, " Chiang säger, "vi kan ha det så långsamt, stegvis förändring, " spänner över hela området från nästan noll laddning till mycket hög effekt. Alternativt, förändringen kan vara "något mycket drastiskt, " som är fallet med NaFePO 4 , som snabbt ändrar sin volym med cirka 17 procent.
"Vi vet att sköra föreningar som denna normalt skulle spricka med mindre än 1 procents volymförändring, " säger Chiang. "Så hur klarar det här materialet så stora volymförändringar? Vad vi hittade, på sätt och vis, är att kristallen ger upp och bildar ett oordnat glas" istället för att behålla sitt exakt ordnade galler.
"Det här är en mekanism som vi tror kan tillämpas mer allmänt på andra föreningar av det här slaget, " han säger, och tillägger att fyndet kan representera "ett nytt sätt att skapa glasartade material som kan vara användbara för batterier." När förändringen till en glasartad sammansättning äger rum, dess volymförändringar blir gradvisa snarare än plötsliga, och som ett resultat "kan det vara längre, " säger Chiang.
Dessa diagram illustrerar hur olika material expanderar när de utsätts för ett inflöde av joner. Kisel, till höger, har en av de högsta expansionsgrader som är kända. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Resultaten kan ge ett nytt designverktyg för dem som försöker utveckla längre livslängd, batterier med högre kapacitet, han säger. Det kan också leda till möjliga applikationer där volymförändringarna kan användas, till exempel som robotaktuatorer eller som pumpar för att leverera läkemedel från implanterbara enheter.
Teamet planerar att fortsätta arbeta med enklare sätt att syntetisera dessa olivinföreningar, och bestämma om det finns en bredare familj av kristallina material som delar denna fasförändrande egenskap.
Denna forskning ger "ett avgörande bidrag som kopplar samman elektrokemiska, mekanisk, och kristallografiska aspekter av batterielektroder, "säger William Chueh, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University, som inte var involverad i detta arbete.
"Elektrodmaterial som används i litiumjonbatterier krymper och expanderar under laddning och urladdning, och ofta oproportionerligt inom en enda partikel. Om belastningen inte kan hanteras, partikelfrakturer, så småningom får batteriet att gå sönder. Detta liknar en kall keramisk kopp som spricker när kokande vatten hälls i för snabbt, ", säger Chueh. Detta arbete "identifierar en ny dragavlastningsmekanism när volymförändringen är stor, vilket innebär att materialet förvandlas från ett kristallint fast ämne till ett amorft snarare än att spricka."
Denna upptäckt, han säger, "kan få forskare att återbesöka batterimaterial som tidigare bedömts vara oanvändbara på grund av den stora volymförändringen under laddning och urladdning. Det skulle också leda till bättre prediktiva modeller som används av ingenjörer för att designa nya generationens batterier."
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.
