Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har avslöjat ett molekylärt spel med musikstolar som skadar batteriets prestanda.

I en artikel publicerad i Naturnanoteknik , forskarna visar hur excitation av syreatomer som bidrar till bättre prestanda för ett litiumjonbatteri också utlöser en process som leder till skador, förklara ett fenomen som har varit ett mysterium för forskare.

Forskningen pekar ut vetenskapen bakom en barriär på vägen mot att skapa längre livslängd, uppladdningsbara litiumjonbatterier med högre kapacitet. Det är ett oväntat fynd om en process som sker varje dag i batterierna som driver mobiltelefoner, bärbara datorer, och elbilar.

Nackdelen med syre

Att kontrollera hur molekyler passar ihop och flöde är avgörande för ett batteris förmåga att lagra och släppa ut energi. I ett litiumjonbatteri, laddningsprocessen inkluderar flödet av litiumjoner från katoden genom elektrolyten till anoden. Vid urladdning, samma joner gör en återresa till katoden, där de borde slå sig tillbaka till sina tilldelade positioner i ett strikt regementerat galler där andra atomer, som syre, nickel, kobolt, och magnesium, också bo. Denna konstanta fram och tillbaka är det som gör att batteriet kan lagra och släppa ut energi.

För att öka denna process, forskare ökar litiumflödet från katoden genom att använda syre som en donator av elektroner, men detta resulterar i "upphetsade" syreatomer som kan skapa förödelse i den noggrant konstruerade katoden. PNNL-teamet upptäckte att dessa syremolekyler är olyckstillverkare:De är mycket rörliga och kommer sannolikt att fly från ytan, vilket leder till mindre kapacitet och så småningom till batterifel, och de byter enkelt molekylära positioner, betonar batteriets struktur.

"Syreatomerna erbjuder elektroner, och det ökar kapaciteten. Men det finns en kostnad att betala; folk har inte insett det, "sade PNNL -forskaren Chongmin Wang, som ledde studien. "Vi har vetat att syre ökar batteriets prestanda men vi har inte förstått alla principer som är inblandade helt."

Strid i katoden

Wangs team spårade exakt vad som händer med syret i katoden, avslöjar en berättelse om molekylära musikstolar som involverar upphetsade syre "mobbare, "gäspande luckor skapade av deras opportunistiska utträde ur strukturen, och litiumjoner stammade i deras försök att återvända varifrån de kom.

Teamet visade att alltför upphetsade syreatomer - skapade när syreatomer har donerat sina elektroner - är benägna att fly från katodens yta, lämnar en ledig plats i det noggrant konstruerade batterigitteret.

När syreatomer på ytan avgår, ytterligare syreatomer i bulkstrukturen muskelar sig in i de nu tomma luckorna. Fler och fler syremolekyler följer efter i en kedjereaktion, arbeta sig upp i de tomma luckorna och fly från ytan. När processen fortsätter, defekter migrerar från katodens yta djupare in i materialet, skapa ett stort hål eller tomrum. Aktiviteten härmar en process som många av oss känner alltför väl till:tandförfall, som börjar med en liten defekt vid en yta men så småningom går djupare och orsakar ett större problem.

Platsbytet skapar kaos på ett batteris tidigare ordnade atomstruktur. Andra atomer som nickel, magnesium, kobolt, och syre börjar röra sig och fungerar effektivt som mobbare, sannolikt att stjäla en plats som är avsedd för litium medan litiumet är borta och gör användbar batterikemi.

Och de lediga platserna som lämnas av de avgickna syreatomerna börjar gruppera sig i tomrum, presenterar formidabla barriärer och förhindrar att litiumjoner återvänder dit de hör hemma. När färre litiumatomer kan återhävda sig till rätt positioner i katoden, färre är tillgängliga för att åka tur och retur mellan anoden och katoden. Det betyder att batteriet lagrar allt mindre energi.

Så småningom, det höga antalet lediga platser eller tomrum destabiliserar gallret, vilket leder till mindre kapacitet och slutligen till batterifel.

En livvakt för egensinnigt syre

"När du har tappat tillräckligt med syreatomer, batteriet tappar kapacitet och hela strukturen kollapsar, "sa Wang, vars PNNL -team också arbetade med forskare från Beijing University of Technology i Kina, Lawrence Berkeley National Laboratory, och Argonne National Laboratory.

Teamet undersöker sätt att stoppa sådana defekter. En idé är att stabilisera syret på ytan - att låsa syreatomer i sitt rättmätiga läge mer tätt och göra dem mindre benägna att fly från ytan. Wangs team undersöker användningen av zirkoniumoxidmolekyler för att utöva sitt kemiska inflytande och fungera som en typ av livvakt för att hålla syreatomer i sina rätta positioner. This would mean less loss of oxygen and would help keep the whole structure in order, allowing lithium ions to move back and forth with ease.