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Neue Beobachtungen zeigen die Funktionsweise von Lithium-Ionen-Batterien
Sep 07, 2018

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Das Diagramm veranschaulicht den Prozess des Ladens oder Entladens der Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) -Elektrode. Da Lithiumionen während des Ladevorgangs entfernt werden, bildet es eine Lithium-depletierte Eisenphosphat (FP) -Zone, aber dazwischen gibt es eine feste Lösungszone (SSZ, in dunkelblaugrün gezeigt), die im Gegensatz zu einigen zufällig verteilten Lithiumatomen enthält die ordentliche Anordnung von Lithiumatomen im ursprünglichen kristallinen Material (hellblau). Diese Arbeit liefert die ersten direkten Beobachtungen dieses SSZ-Phänomens.

 

MIT-Forscher zeigen das Innenleben einer Lithium-Ionen-Batterie und zeigen, wie eine zufällige feste Lösung die Bewegung von Ionen durch Batteriematerial beeinflusst.

Neue Beobachtungen von Forschern am MIT haben gezeigt, dass ein in Lithium-Ionen-Batterien weit verbreiteter Elektrodentyp im Inneren funktioniert. Die neuen Erkenntnisse erklären die unerwartet hohe Leistung und lange Lebensdauer solcher Batterien, so die Forscher.

 

Die Ergebnisse erscheinen in einem Artikel in der Zeitschrift Nano Letters, die gemeinsam von MIT-Postdoc Jun Jie Niu, dem Forschungswissenschaftler Akihiro Kushima, den Professoren Yet-Ming Chiang und Ju Li und drei anderen verfasst wurden.

Das untersuchte Elektrodenmaterial Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) gilt als besonders vielversprechendes Material für wiederaufladbare Lithium-Batterien; Es wurde bereits in Anwendungen von Elektrowerkzeugen über Elektrofahrzeuge bis hin zu groß angelegten Grid-Speichern demonstriert. Die MIT-Forscher fanden heraus, dass sich innerhalb dieser Elektrode während des Aufladens eine Festlösungszone (SSZ) an der Grenze zwischen lithium- und lithiumabgereicherten Bereichen bildet - der Bereich, in dem die Aufladeaktivität konzentriert ist, wenn Lithiumionen aus der Zelle gezogen werden Elektrode.

 

Li sagt, dass diese SSZ "theoretisch vorhergesagt wurde, aber wir sehen es direkt zum ersten Mal", in Transmissionselektronenmikroskop (TEM) -Videos, die während des Ladens aufgenommen wurden.

 

Die Beobachtungen helfen dabei, ein langgehendes Rätsel um LiFePO4 zu lösen: In der Kristallform haben sowohl Lithiumeisenphosphat als auch Eisenphosphat (FePO4, das als Lithiumionen beim Laden aus dem Material austritt) sehr schlechte ionische und elektrische Leitfähigkeiten. Doch wenn es behandelt wird - mit Dotierung und Kohlenstoffbeschichtung - und als Nanopartikel in einer Batterie verwendet wird, weist das Material eine beeindruckend hohe Ladungsrate auf. "Es war ziemlich überraschend, als diese [schnelle Lade- und Entladerate] erstmals demonstriert wurde", sagt Li.

"Wir haben direkt eine metastabile zufällige feste Lösung beobachtet, die dieses grundlegende Problem lösen könnte, das [Materialwissenschaftler] seit vielen Jahren fasziniert", sagt Li, der Battelle Energy Alliance Professor für Nuklearwissenschaften und -technik und Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen.

 

Das SSZ ist ein "metastabiler" Zustand, der mindestens einige Minuten bei Raumtemperatur andauert. Ersetzt man eine scharfe Grenzfläche zwischen LiFePO4 und FePO4, von der gezeigt wurde, dass sie viele zusätzliche Leitungsdefekte enthält, die als "Versetzungen" bezeichnet werden, dient das SSZ als Puffer und reduziert die Anzahl von Versetzungen, die sich ansonsten mit der elektrochemischen Reaktionsfront bewegen würden. "Wir sehen keine Versetzungen", sagt Li. Dies könnte wichtig sein, da die Erzeugung und Lagerung von Versetzungen Ermüdung verursachen und die Lebensdauer einer Elektrode begrenzen kann.

 

Im Gegensatz zur konventionellen TEM-Bildgebung ermöglicht die 2010 von Kushima und Li entwickelte Technik die Untersuchung von Batteriekomponenten beim Laden und Entladen, die dynamische Prozesse aufzeigen können. "In den letzten vier Jahren gab es eine große Explosion der Verwendung solcher In-situ-TEM-Techniken zur Untersuchung von Batteriebetrieben", sagt Li.

 

Ein besseres Verständnis dieser dynamischen Prozesse könnte die Leistung eines Elektrodenmaterials verbessern, indem eine bessere Abstimmung seiner Eigenschaften ermöglicht wird, sagt Li.

 

Trotz eines unvollständigen Verständnisses werden Lithium-Eisen-Phosphat-Nanopartikel bereits industriell für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, erklärt Li. "Die Wissenschaft hinkt der Anwendung hinterher", sagt er. "Es ist bereits skaliert und ziemlich erfolgreich auf dem Markt. Es ist eine der Erfolgsgeschichten der Nanotechnologie. "

 

"Im Vergleich zu herkömmlichen Lithiumionen ist [Lithiumeisenphosphat] umweltfreundlich und sehr stabil", sagt Niu. "Aber es ist wichtig, dass dieses Material gut verstanden wird."

 

Während die Entdeckung des SSZ in LiFePO4 gemacht wurde, sagt Li: "Das gleiche Prinzip kann auch für andere Elektrodenmaterialien gelten. Leute suchen nach Hochleistungselektrodenmaterialien und solche metastabilen Zustände könnten in anderen Elektrodenmaterialien existieren, die in Massenform inert sind. ... Das entdeckte Phänomen könnte sehr allgemein und nicht spezifisch für dieses Material sein. "

 

Chongmin Wang, ein Forscher am Pacific Northwest National Laboratory, der nicht in diese Forschung involviert war, nennt dieses Papier "großartige Arbeit".

 

"Mehrere Modelle, die auf theoretischer und experimenteller Arbeit basieren, wurden vorgeschlagen", sagt Wang. "Aber keiner von ihnen scheint schlüssig zu sein."

 

Diese neue Studie, so sagt er, "liefert überzeugende und direkte Beweise" für den Mechanismus bei der Arbeit: "Die Arbeit ist ein großer Schritt vorwärts, um die Mehrdeutigkeiten zugunsten eines soliden Lösungsmodells voranzutreiben."