Als je genoeg zou kunnen krimpen voor een fantastische reis over een lithiumbatterij-elektrode, zou je zien dat het laadniveau op elke schaal zeer ongelijk is.
Dit is niet goed voor de gezondheid van de batterij. Rice University-onderzoekers die het probleem herkennen, werkten samen met het ministerie van Energie om tot in detail te bekijken hoe de verschillende deeltjes in een elektrode tijdens gebruik met lithium omgaan.
In het bijzonder analyseerde het Rice-lab van materiaalwetenschapper Ming Tang interacties op nano- en microschaal binnen lithiumijzerfosfaatkathoden door middel van modellering en beeldvorming aangeboden door de transmissieröntgenmicroscopiemogelijkheden in Brookhaven National Laboratory en Argonne National Laboratory.
Hun artikel in het tijdschrift ACS Energy Letters van de American Chemical Society ondersteunt theorieën die Tang en zijn collega’s enkele jaren geleden hebben gevormd en die voorzagen hoe lithium zich verplaatst in de dynamische omgeving binnen een typische commerciële kathode.
Het kunnen kijken naar het laden en ontladen van verzegelde kathoden in Brookhaven was het absolute bewijs.
“Batterijen hebben veel deeltjesaggregaten die lithium opzuigen en weer afstaan, en we wilden weten wat er op hun oppervlak gebeurt, hoe uniform de reactie is”, zegt Tang, universitair hoofddocent materiaalkunde en nano-engineering. “Over het algemeen willen we altijd een meer uniforme reactie, zodat we de batterij sneller kunnen opladen.”
In afbeeldingen gemaakt met Brookhaven’s krachtige röntgensynchrotron, zagen de onderzoekers dat sommige regio’s in de kathode beter geabsorbeerd waren dan andere. Het vermogen om in 3D naar enkele of geaggregeerde deeltjes te kijken, toonde aan dat lithium niet over hun hele oppervlak reageerde, maar bepaalde regio’s bevoordeelde boven andere.
advertentie
“Dit is heel anders dan conventionele wijsheid,” zei Tang. “De meest interessante observatie is dat deze reactiegebieden de vorm hebben van eendimensionale filamenten die over het oppervlak van deze geaggregeerde deeltjes liggen. Het was een beetje raar, maar het kwam overeen met wat we in onze modellen zagen.”
Tang zei dat de lithiumfilamenten er ongeveer uitzagen als dikke nanobuisjes en enkele honderden nanometers breed en enkele microns lang waren.
Hij zei dat spanning tussen verkeerd uitgelijnde kristallieten in de deeltjesagglomeraten verhindert dat lithium uniform wordt ingebracht in of geëxtraheerd uit het aggregaatoppervlak, omdat dat een te grote energieboete oplevert. In plaats daarvan wordt lithium gedwongen in of uit de aggregaten te stromen op “hotspots” die de filamentvorm ontwikkelen.
Wat betekent dit voor de batterijprestaties?
“Dit is een slechte zaak,” zei Tang. “Omdat het lithium niet uniform in de kathode kan gaan, vertraagt het de intercalatiemechanica.
advertentie
“Wat onze studie biedt, zijn enkele mogelijke manieren om lithium-insertie of -extractie uniformer te maken op deze aggregaten of individuele deeltjes,” zei hij. “Het introduceren van wat porositeit in de deeltjesagglomeraten zou wat energiedichtheid kunnen opofferen, maar zou tegelijkertijd lithium meer uniformer naar binnen laten gaan. Dat zou je in staat kunnen stellen meer energie te krijgen bij een bepaalde laad- / ontlaadsnelheid.
“Een andere gedachte is dat als we de oriëntatie van deze kleine deeltjes op de een of andere manier kunnen afstemmen, zodat hun maximale uitzetting loodrecht op elkaar staat, ze lithium-intercalatie beter kunnen accommoderen,” zei hij.
Dat zou een uitdaging zijn voor batterijfabrikanten, gaf hij toe.
“We hebben niet genoeg ervaring in synthese om te weten hoe we dat kunnen laten gebeuren,” zei Tang. ‘Wat we bieden is aas. Eens kijken of iemand bijt.’
Rice afgestudeerde alumni Fan Wang en Kaiqi Yang zijn co-hoofdauteurs van het artikel. Co-auteurs zijn Mingyuan Ge, Jiajun Wang, Jun Wang, Xianghi Xiao en Wah-Keat Lee, allen van Brookhaven National Laboratory, Upton, New York; en Linsen Li van de Shanghai Jiao Tong University.
Het Department of Energy, Basic Energy Sciences (DE-SC0019111) en de National Science Foundation (CMMI-1929949) steunden het onderzoek.
Verhaalbron:
Materialen geleverd door Rijst Universiteit. Origineel geschreven door Mike Williams. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Onderzoek suggereert dat lithiumbatterijen baat zouden hebben bij meer poreuze elektroden met beter uitgelijnde deeltjes die de lithiumdistributie niet beperken.
Datum van publicatie: 19 april 2022
Bron: Technologie | Top technologienieuws — ScienceDaily