Nanoblick i litium-ion-batteriet

Røntgenmikroskopi viser elektrodepartikler i sanntid under lading og utladning

De viktigste prosessene i et litiumionbatteri er nanoskala - nå gjør et mikroskop dem synlige. © OneAgency / thinkstock
lese høyt

Batteri i live-visning: Ved hjelp av røntgenmikroskopi har amerikanske forskere synliggjort hva som skjer i et litium-ion-batteri under lading og utladning - og i nanometer skala. Nano-utsikten inn i batteriet viser i sanntid hvordan de bittesmå katodekrystallene tar opp og frigjør litium. Blant annet viste det seg at det er "turbo-soner" i disse granulatene, som reagerer veldig raskt, slik forskerne melder i tidsskriftet "Science".

Litium-ion-batterier brukes i mobiltelefoner, datamaskiner og kameraer, men også i elbiler og andre enheter. Men disse batteriene har noen svakheter: de mister strøm over tid og kan til og med eksplodere hvis de blir overopphetet. Selv om forskere har utviklet noen metoder for å gjøre batteriet tryggere og mer effektivt, men hva som skjer på nanonivå i batteriet, var bare delvis kjent.

Nå har Jongwoo Lim fra Stanford University og kollegene hans utviklet en metode for å se i sanntid på mikroverden av litium-ion-batterier. I motsetning til tidligere metoder kan ikke bare konsentrasjonsforskjeller av elektrolytt- og elektrodestoffene eller varmefordelingen sees, men det er også mulig å spore hvordan individuelle partikler av litium-jern-fosforforbindelsen (Li x FePO 4 ) som brukes som katoden oppfører seg under lading og utladning,

30 katodepartikler i sikte

Denne nye innsikten i litium-ion-batterier ble oppnådd av forskere som bruker en spesiell røntgenmetode, overføring røntgenmikroskopi. I dette tilfellet rettes en fokusert stråle av mykt røntgenlys til en prøve, og den bestråles ikke-ødeleggende.

For sitt eksperiment gjenskaper forskerne et litiumionbatteri i en liten prøvebeholder. utstilling

Fargen indikerer hvor mye Liuthium granulatene i katodematerialet har tatt opp eller levert. © Stanford University / Chueh Group

Så de kunne observere hva som skjedde på nivået noen til hundrevis av nanometer i batteriet. "Dette er størrelsesområdet de grunnleggende prosessene finner sted, som er avgjørende for ladetiden og strømtapet på batteriene, " forklarer seniorforfatter William Chue fra Standford University. Røntgenmikroskopet registrerte rundt 30 krystallinske Li x FePO 4- partikler på et øyeblikk nesten i sanntid.

Krystallkorn med "turbo-soner"

Når litiumionbatteriet er ladet, frigjør de positivt ladede katodepartikler litiumioner. Hvis batteriet tømmes, absorberer det gradvis litium igjen. Som nano-utseendet i batteriet avslører, skjer dette ikke jevnt. I stedet er det områder i de små kornene som absorberer eller frigjør ioner veldig raskt, mens andre soner henger etter.

Som et resultat, ladning og utslipp av partiklene på overflaten av partiklene til klart definerte områder med forskjellige nivåer av litium, som forskerne rapporterer. Røntgenmikroskopi avslørte også at litiumutgangen ved lading av batteriet er mye mindre homogen enn utladning. "Disse forskjellene kan forklare hvorfor spenningsprofilen under lading og utladning er så asymmetrisk, " sier Lim og kollegene.

Forskerne håper at disse og andre nanoskalaobservasjoner vil bidra til ytterligere å optimalisere litium-ion-batterier i fremtiden. "Vi har nå en prosess som lar oss analysere de kritiske prosessene i sanntid og på mikronivå, " sier medforfatter David Shapiro fra Lawrence Berkeley National Laboratory. "Dette hjelper oss til å forstå og forbedre prosessene våre bedre." (Science, 2016; doi: 10.1126 / science.aaf4914)

(DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory, 08.08.2016 - NPO)