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Überraschende Entdeckung könnte zu besseren Batterien führen
Jul 20, 2018

Überraschende Entdeckung könnte zu besseren Batterien führen

Quelle: DOE / Brookhaven National Laboratory


Zusammenfassung:

Wissenschaftler haben beobachtet, dass die Lithiumkonzentration in einzelnen Nanopartikeln an einem bestimmten Punkt umgekehrt ist, anstatt ständig zu steigen. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Batterielebensdauer von Unterhaltungselektronik.

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2D-Karten zeigen die Konzentration von Lithium in einem einzelnen Nanopartikel. Mit der Zeit nimmt die Konzentration zu, sinkt ab und steigt dann wieder an.

Credit: Bild mit freundlicher Genehmigung von DOE / Brookhaven National Laboratory

 

Eine Kollaboration, die von Wissenschaftlern des Brookhaven National Laboratory des US Department of Energy (DOE) durchgeführt wurde, hat ein unerwartetes Phänomen bei Lithium-Ionen-Batterien beobachtet - dem häufigsten Batterietyp für Mobiltelefone und Elektroautos. Als Modellbatterie erzeugten elektrischen Strom, beobachteten die Wissenschaftler die Konzentration von Lithium innerhalb einzelner Nanopartikel an einem bestimmten Punkt umgekehrt, statt ständig zu erhöhen. Diese Entdeckung, die am 12. Januar in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Batterielebensdauer von Unterhaltungselektronik.

 

"Wenn Sie ein Mobiltelefon haben, müssen Sie wahrscheinlich aufgrund der begrenzten Kapazität der Batterieelektroden jeden Tag die Batterie aufladen", sagte Esther Takeuchi, eine angesehene SUNY-Professorin an der Stony Brook University und leitende Wissenschaftlerin in der Direktion für Energiewissenschaften im Brookhaven Lab. "Die Ergebnisse dieser Studie könnten helfen, Batterien zu entwickeln, die schneller laden und länger halten."

 

Visualisierung von Batterien im Nanobereich

 

In jeder Lithium-Ionen-Batterie befinden sich Partikel, deren Atome in einem Gitter angeordnet sind - eine periodische Struktur mit Lücken zwischen den Atomen. Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie Strom liefert, fließen Lithiumionen in leere Stellen im Atomgitter.

 

"Zuvor gingen die Wissenschaftler davon aus, dass die Konzentration von Lithium im Gitter immer größer wird", sagt Wei Zhang, Wissenschaftlerin am Department für nachhaltige Energietechnologie in Brookhaven. "Aber jetzt haben wir gesehen, dass dies nicht wahr sein kann, wenn die Elektroden der Batterie aus Partikeln in Nanogröße bestehen. Wir haben beobachtet, dass die Lithiumkonzentration in lokalen Bereichen von Nanopartikeln nach oben und dann nach unten - umgekehrt."

 

Elektroden werden oft aus Nanopartikeln hergestellt, um die Leistungsdichte der Batterie zu erhöhen. Aber die Wissenschaftler waren nicht in der Lage zu verstehen, wie diese Elektroden funktionieren, weil sie nur begrenzt in der Lage sind, ihre Arbeit in Aktion zu sehen. Mit einer einzigartigen Kombination experimenteller Werkzeuge konnten die Wissenschaftler nun Reaktionen in den Elektroden in Echtzeit abbilden.

 

Ähnlich wie ein Schwamm Wasser aufsaugt, können wir sehen, dass der Gesamtgehalt an Lithium in den nanoskaligen Partikeln kontinuierlich ansteigt ", sagte Feng Wang, Leiter dieser Studie und Wissenschaftler in Brookhavens Abteilung für nachhaltige Energietechnologien." Aber im Gegensatz zu Wasser , Lithium kann sich bevorzugt aus einigen Bereichen herausbewegen und uneinheitliche Lithiumkonzentrationen über das Gitter erzeugen. "

 

Die Wissenschaftler erklärten, dass eine ungleichmäßige Bewegung von Lithium eine dauerhafte schädigende Wirkung haben könnte, da sie die Struktur der aktiven Materialien in Batterien belastet und zu Ermüdungsversagen führen kann.

 

"Bevor Lithium in das Gitter eindringt, ist seine Struktur sehr einheitlich", sagte Wang. "Aber sobald Lithium eindringt, dehnt es das Gitter aus, und wenn Lithium austritt, schrumpft das Gitter. Deshalb wird jedes Mal, wenn Sie eine Batterie laden und entladen, ihre aktive Komponente belastet und ihre Qualität wird sich mit der Zeit verschlechtern Es ist wichtig zu charakterisieren und zu verstehen, wie sich die Lithiumkonzentration sowohl räumlich als auch zeitlich ändert. "

 

Kombinieren von Werkzeugen des Handels

 

Um diese Beobachtungen zu machen, kombinierten die Wissenschaftler Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) -Experimente - durchgeführt am Centre for Functional Nanomaterials (CFN), einer DOE Office of Science User Facility am Brookhaven Lab und an der Brookhaven Condensed Matter Physics and Materials Science Abteilung - mit Röntgenanalysen an der National Synchrotron Light Source (NSLS), einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science in Brookhaven, die 2014 geschlossen wurde, als ihr Nachfolger, NSLS-II, eröffnet wurde.

 

"Wangs Team kombinierte TEM mit Röntgentechniken", sagte Yimei Zhu, Mitautor der Studie und leitender Physiker am Brookhaven Lab. "Beide Methoden verwenden einen ähnlichen Ansatz, um die Struktur von Materialien zu analysieren, können aber komplementäre Informationen liefern. Elektronen sind empfindlich für die lokale Struktur, während Röntgenstrahlen ein größeres Volumen untersuchen können und viel bessere Statistiken ermöglichen."

 

Das Brookhaven-Team entwickelte auch eine nanoskalige Modellbatterie, die die Funktion von Lithium-Ionen-Batterien nachahmen könnte, die in ein TEM "passen" würden. Computersimulationen, die an der Universität von Michigan durchgeführt wurden, bestätigten die überraschenden Schlussfolgerungen.

 

"Wir dachten zunächst, dass der Umkehrmechanismus den zuvor vorgeschlagenen ähnlich ist, die auf die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Partikeln zurückzuführen sind", sagte Katsuyo Thornton, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Universität von Michigan, Ann Arbor, der die theoretischen Bemühungen leitete . "Es stellte sich jedoch heraus, dass eine Konzentrationsumkehr innerhalb eines einzelnen Teilchens nicht durch existierende Theorien erklärt werden konnte, sondern aus einem anderen Mechanismus. Simulationen waren in dieser Arbeit kritisch, weil wir ohne sie eine falsche Schlussfolgerung gemacht hätten. "

 

Während sich die Studie auf Lithium-Ionen-Batterien konzentrierte, sagten die Wissenschaftler, dass das beobachtete Phänomen auch in anderen Hochleistungs-Batteriechemien auftreten kann.

 

"Wir werden die erstklassigen Einrichtungen von CFN und NSLS-II nutzen, um genauer zu untersuchen, wie Batteriematerialien funktionieren, und Lösungen für den Bau neuer Batterien zu finden, die schneller geladen werden können und länger halten", sagte Wang. "Diese Einrichtungen bieten die idealen Werkzeuge, um die Struktur von Batteriematerialien in Echtzeit und unter realen Bedingungen darzustellen."