Når litiumioner strømmer inn og ut av en batterielektrode under lading og utlading, siver en liten bit oksygen ut og batteriets' s spenning - et mål på hvor mye energi den leverer - blekner en like liten bit. Tapene øker over tid, og kan til slutt ødelegge batteriets' s energilagringskapasitet med 10-15%.
Nå har forskere målt denne super-langsomme prosessen med enestående detaljer, og viser hvordan hullene, eller ledige stillinger, som er igjen ved å unnslippe oksygenatomer, endrer elektroden' s struktur og kjemi og reduserer gradvis hvor mye energi den kan lagre.
Resultatene strider mot noen av forutsetningene forskerne hadde gjort om denne prosessen, og kunne foreslå nye måter å konstruere elektroder for å forhindre den.
Forskergruppen fra Department of Energy' s SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University beskrev sitt arbeid i Nature Energy i dag.
& quot; Vi var i stand til å måle en veldig liten grad av oksygen som sildret ut, aldri så sakte, over hundrevis av sykluser," sa Peter Csernica, en doktorgradsstudent fra Stanford som jobbet med eksperimentene med lektor Will Chueh." Det at det&# 39 er så tregt, gjorde det også vanskelig å oppdage."
En toveis gyngestol
Litiumionbatterier fungerer som en gyngestol, og flytter litiumioner frem og tilbake mellom to elektroder som midlertidig lagrer ladning. Ideelt sett er disse ionene de eneste tingene som beveger seg inn og ut av milliarder nanopartikler som utgjør hver elektrode. Men forskere har visst i noen tid at oksygenatomer lekker ut av partiklene når litium beveger seg frem og tilbake. Det har vært vanskelig å fastsette detaljene fordi signalene fra disse lekkasjene er for små til å måle direkte.
& quot; Den totale mengden oksygenlekkasje, over 500 sykluser av batterilading og utlading, er 6%," Sa Csernica." At&# 39 ikke er så lite, men hvis du prøver å måle oksygenmengden som kommer ut i løpet av hver syklus, er det&# 39 omtrent en hundre av en prosent."
I denne studien målte forskere i stedet indirekte lekkasjen, ved å se på hvordan oksygentap modifiserer kjemien og strukturen til partiklene. De spores prosessen i flere lengdeskalaer - fra de minste nanopartikler til klumper av nanopartikler til hele elektroden.
Fordi det&# 39 er så vanskelig for oksygenatomer å bevege seg rundt i faste materialer ved temperaturene der batteriene fungerer, har konvensjonell visdom vært at oksygenlekkasjer bare kommer fra overflatene til nanopartikler, sa Chueh, selv om dette har vært oppe til debatt.
For å se nærmere på hva&nr. 39 skjer, syklet forskerteamet batterier i forskjellige tidsperioder, tok dem fra hverandre og kuttet elektrodenanopartiklene for detaljert undersøkelse ved Lawrence Berkeley National Laboratory' s Avansert lyskilde. Der ble et spesialisert røntgenmikroskop skannet over prøvene, og laget høyoppløselige bilder og sondering av den kjemiske sammensetningen av hvert bittesmå flekk. Denne informasjonen ble kombinert med en beregningsteknikk kalt ptychography for å avsløre detaljer i nanoskala, målt i milliarddeler av en meter.
I mellomtiden, på SLAC' s Stanford Synchrotron Light Source, skjøt teamet røntgenstråler gjennom hele elektroder for å bekrefte at det de så på nanoskala nivå også var sant i en mye større skala.
En sprengning, deretter en vedlikeholdsfare
Sammenligning av eksperimentelle resultater med datamodeller for hvordan oksygentap kan oppstå, konkluderte teamet med at en innledende utbrudd av oksygen slipper ut fra overflatene av partikler, etterfulgt av en veldig langsom sildring fra det indre. Der nanopartikler smeltet sammen for å danne større klumper, mistet de nær klumpens sentrum mindre oksygen enn de nær overflaten.
Et annet viktig spørsmål, sa Chueh, er hvordan tapet av oksygenatomer påvirker materialet de etterlot seg." Det' er faktisk et stort mysterium," han sa." Tenk deg atomer i nanopartiklene er som tettpakkete kuler. Hvis du fortsetter å ta ut oksygenatomer, kan det hele krasje og fortette, fordi strukturen liker å holde seg tett pakket."
Siden dette aspektet av elektroden' s struktur ikke kunne avbildes direkte, sammenlignet forskerne igjen andre typer eksperimentelle observasjoner mot datamodeller med forskjellige oksygen tapsscenarier. Resultatene indikerte at ledige stillinger vedvarer - materialet krasjer ikke ned og fortetter - og antyder hvordan de bidrar til batteriets' s gradvise tilbakegang.
& quot; Når oksygen forlater, vandrer omkringliggende mangan-, nikkel- og koboltatomer. Alle atomene danser ut av sine ideelle posisjoner," Sa Chueh." Denne omorganiseringen av metallioner, sammen med kjemiske endringer forårsaket av manglende oksygen, nedbryter spenningen og effektiviteten til batteriet over tid. Folk har kjent sider ved dette fenomenet i lang tid, men mekanismen var uklar."
Nå, sa han," vi har denne vitenskapelige forståelsen" av denne viktige kilden til batteriforringelse, noe som kan føre til nye måter å redusere oksygentap og dets skadelige effekter.
