Нови наблюдения разкриват вътрешната работа на литиево-йонните батерии

ТЕМИ:
Батерийни технологии, литиево-йонни, материалознание, наноматериали, литиево-йонни батерии
От ДАВИД Л. ЧАНДЛЪР, ИНСТИТУТ ПО ТЕХНОЛОГИИ НА МАСАШУЗЕТИ 9 ЮНИ 2014 г.

Диаграмата илюстрира процеса на зареждане или разреждане на електрода от литиев железен фосфат (LFP). Тъй като литиевите йони се отстраняват по време на процеса на зареждане, той образува зона с обеднят от литий железен фосфат (FP), но между тях има зона на твърд разтвор (SSZ, показана в тъмно синьо-зелено), съдържаща някои произволно разпределени литиеви атоми, за разлика от подреденият масив от литиеви атоми в оригиналния кристален материал (светло син). Тази работа предоставя първите директни наблюдения на този феномен SSZ.

Изследователите от MIT показват вътрешната работа на литиево-йонна батерия, разкривайки как случаен твърд разтвор влияе върху движението на йони през материала на батерията.

Нови наблюдения на изследователи от MIT разкриха вътрешната работа на вид електрод, широко използван в литиево-йонните батерии. Новите открития обясняват неочаквано високата мощност и дългия живот на такива батерии, казват изследователите.

Констатациите се появяват в статия в списанието Nano Letters в съавторство с докторанта от MIT Jun Jie Niu, изследователя Акихиро Кушима, професорите Ет-Минг Чианг и Джу Ли и трима други.

Изследваният електроден материал, литиев железен фосфат (LiFePO4), се счита за особено обещаващ материал за акумулаторни батерии на литиева основа; той вече е демонстриран в приложения, вариращи от електроинструменти до електрически превозни средства до мащабно съхранение в мрежа. Изследователите от MIT установиха, че вътре в този електрод, по време на зареждане, зона на твърд разтвор (SSZ) се образува на границата между богати на литий и изчерпани с литий области-регионът, в който активността на зареждане е концентрирана, тъй като литиевите йони се изтеглят на електрода.

Ли казва, че теоретично се предвижда съществуването на този SSZ, но ние го виждаме директно за първи път, във видеоклипове с трансмисионен електронен микроскоп (TEM), заснети по време на зареждане.

Наблюденията помагат да се разреши дългогодишен пъзел относно LiFePO4: В обемна кристална форма, както литиевият железен фосфат, така и железният фосфат (FePO4, който е оставен, тъй като литиевите йони мигрират от материала по време на зареждане) имат много лоша йонна и електрическа проводимост. И все пак, когато се обработва с допинг и карбоново покритие и се използва като наночастици в батерията, материалът показва впечатляващо висока скорост на зареждане. „Беше доста изненадващо, когато тази [бърза скорост на зареждане и разреждане] беше демонстрирана за първи път“, казва Ли.

„Ние директно наблюдавахме метастабилно произволно твърдо решение, което може да разреши този фундаментален проблем, който е заинтригувал [учените по материали] в продължение на много години“, казва Ли, професор по ядрена наука и инженерство от Battelle Energy Alliance и професор по материалознание и инженеринг.

SSZ е "метастабилно" състояние, което продължава поне няколко минути при стайна температура. Заменяйки остър интерфейс между LiFePO4 и FePO4, за който е доказано, че съдържа много допълнителни дефекти на линията, наречени „дислокации“, SSZ служи като буфер, намалявайки броя на дислокациите, които иначе биха се преместили с фронта на електрохимичната реакция. „Не виждаме никакви дислокации“, казва Ли. Това би могло да бъде важно, тъй като генерирането и съхранението на дислокации може да причини умора и да ограничи цикъла на живот на електрода.

За разлика от конвенционалното TEM изобразяване, техниката, използвана в тази работа, разработена през 2010 г. от Kushima и Li, дава възможност да се наблюдават компонентите на батерията, докато се зареждат и разреждат, което може да разкрие динамични процеси. „През последните четири години имаше голяма експлозия от използването на такива TEM техники in situ за изучаване на работата на батериите“, казва Ли.

По -доброто разбиране на тези динамични процеси би могло да подобри работата на електродния материал, като позволи по -добра настройка на неговите свойства, казва Ли.

Въпреки непълното разбиране към днешна дата, литиево-железните фосфатни наночастици вече се използват в промишлен мащаб за литиево-йонни батерии, обяснява Ли. „Науката изостава от приложението“, казва той. „Той вече е разширен и доста успешен на пазара. Това е една от историите за успех на нанотехнологиите “

„В сравнение с традиционните литиево-йонни, [литиев железен фосфат] е екологично чист и много стабилен“, казва Ниу. „Но е важно този материал да бъде добре разбран“

Въпреки че откритието на SSZ е направено в LiFePO4, Ли казва, „Същият принцип може да се прилага и за други електродни материали. Хората търсят електродни материали с висока мощност и такива метастабилни състояния биха могли да съществуват в други електродни материали, които са инертни в насипно състояние. „Откритото явление може да бъде много общо, а не специфично за този материал“

Чонмин Уанг, изследовател в Тихоокеанската северозападна национална лаборатория, който не е участвал в това изследване, нарича този документ „страхотна работа“.

„Предложени са няколко модела, базирани както на теоретична, така и на експериментална работа“, казва Уанг. „Обаче никой от тях не изглежда убедителен.“

Това ново изследване, казва той, „предоставя убедителни и преки доказателства“ за действащия механизъм: „Работата е голяма стъпка напред за изтласкване на неяснотите към предпочитане на модела на солидно решение“.

Изследването е подкрепено от Националната научна фондация.

Публикация: Junjie Niu, et al., „Наблюдение в случайна зона на произволен твърд разтвор в LiFePO4 електрод,“ Nano Letters, 2014; DOI: 10.1021/nl501415b
Изображение: Junjie Niu, et al., Nano Letters, 2014; DOI: 10.1021/nl501415b