Når lithiumioner strømmer ind og ud af en batterielektrode under opladning og afladning, siver en lille smule ilt ud, og batteriet' s spænding - et mål for hvor meget energi det leverer - falmer en lige så lille bit. Tabene stiger over tid og kan til sidst forsappe batteriets' s energilagringskapacitet med 10-15%.
Nu har forskere målt denne super-langsomme proces med hidtil uset detaljer, der viser, hvordan hullerne eller ledige stillinger, der er tilbage ved at undslippe iltatomer, ændrer elektroden' s struktur og kemi og reducerer gradvist, hvor meget energi den kan lagre.
Resultaterne modsiger nogle af de antagelser, som forskerne havde gjort om denne proces, og kunne foreslå nye måder at konstruere elektroder på for at forhindre det.
Forskergruppen fra Department of Energy' s SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University beskrev deres arbejde i Nature Energy i dag.
& quot; Vi var i stand til at måle en meget lille grad af ilt, der sildrer ud, stadig så langsomt, over hundreder af cyklusser," sagde Peter Csernica, en Stanford-ph.d.-studerende, der arbejdede på eksperimenterne med lektor Will Chueh." Det faktum, at det&# 39 er så langsomt, er også det, der gjorde det svært at opdage."
En tovejs gyngestol
Lithium-ion-batterier fungerer som en gyngestol og bevæger lithiumioner frem og tilbage mellem to elektroder, der midlertidigt lagrer opladning. Ideelt set er disse ioner de eneste ting, der bevæger sig ind og ud af de milliarder nanopartikler, der udgør hver elektrode. Men forskere har længe vidst, at iltatomer lækker ud af partiklerne, når lithium bevæger sig frem og tilbage. Det har været svært at fastgøre detaljerne, fordi signalerne fra disse lækager er for små til at måle direkte.
& quot; Den samlede mængde iltlækage, over 500 cyklusser med batteriopladning og -afladning, er 6%," Sagde Csernica." At' ikke er et så lille antal, men hvis du prøver at måle den iltmængde, der kommer ud under hver cyklus, er det&# 39 omkring en hundrededel af en procent."
I denne undersøgelse målte forskere lækagen indirekte i stedet ved at se på, hvordan iltab modificerer partiklernes kemi og struktur. De spores processen i flere længdeskalaer - fra de mindste nanopartikler til klumper af nanopartikler til den fulde tykkelse af en elektrode.
Fordi det&# 39 er så vanskeligt for iltatomer at bevæge sig rundt i faste materialer ved de temperaturer, hvor batterierne fungerer, har den traditionelle visdom været, at iltlækagerne kun kommer fra overfladerne af nanopartikler, sagde Chueh, skønt dette har været til debat.
For at se nærmere på, hvad&nr. 39 sker, cyklede forskergruppen batterier i forskellige tidsrum, tog dem fra hinanden og skar elektrodenanopartiklerne til detaljeret undersøgelse ved Lawrence Berkeley National Laboratory' s Avanceret lyskilde. Der blev et specialiseret røntgenmikroskop scannet på tværs af prøverne og lavet højopløsningsbilleder og sonderet den kemiske sammensætning af hvert lille sted. Disse oplysninger blev kombineret med en beregningsteknik kaldet ptychography for at afsløre detaljer i nanoskala målt i milliardedele af en meter.
I mellemtiden, på SLAC' s Stanford Synchrotron Light Source, skød holdet røntgenbilleder gennem hele elektroder for at bekræfte, at det, de så på nanoskala niveau, også var sandt i en meget større skala.
En burst, så en vedblus
Ved at sammenligne de eksperimentelle resultater med computermodeller om, hvordan iltab kan forekomme, konkluderede holdet, at en indledende iltudbrud slipper ud fra overfladerne af partikler efterfulgt af en meget langsom sipling fra det indre. Hvor nanopartikler glomede sammen for at danne større klumper, mistede de nær klumpens centrum mindre ilt end dem nær overfladen.
Et andet vigtigt spørgsmål, sagde Chueh, er hvordan tabet af iltatomer påvirker det materiale, de efterlod." Det' det er faktisk et stort mysterium," han sagde." Forestil dig atomerne i nanopartiklerne er som tætpakkede kugler. Hvis du fortsætter med at tage iltatomer ud, kan det hele gå ned og fortætte, fordi strukturen kan lide at blive tæt pakket."
Da dette aspekt af elektroden&# 39s struktur ikke kunne afbildes direkte, sammenlignede forskerne igen andre typer eksperimentelle observationer mod computermodeller af forskellige iltabscenarier. Resultaterne viste, at de ledige stillinger fortsætter - materialet kolliderer ikke og fortættes - og antyder, hvordan de bidrager til batteriets' s gradvise tilbagegang.
& quot; Når ilt forlader, vandrer omgivende mangan-, nikkel- og cobaltatomer. Alle atomer danser ud af deres ideelle positioner," Sagde Chueh." Denne omlægning af metalioner sammen med kemiske ændringer forårsaget af det manglende ilt nedbryder batteriets spænding og effektivitet over tid. Folk har kendt aspekter af dette fænomen i lang tid, men mekanismen var uklar."
Nu sagde han," vi har denne videnskabelige forståelse nedenfra og op" af denne vigtige kilde til batteriforringelse, hvilket kan føre til nye måder at mindske iltab og dets skadelige virkninger på.
