När litiumjoner strömmar in och ut ur en batterielektrod under laddning och urladdning sipprar en liten bit syre ut och batteriet' s spänning - ett mått på hur mycket energi det levererar - bleknar en lika liten bit. Förlusterna ökar med tiden och kan så småningom tappa batteriet' s energilagringskapacitet med 10-15%.
Nu har forskare mätt denna super-långsamma process med oöverträffad detalj, som visar hur hålen, eller lediga platser, kvar av att flyta ut syreatomer förändrar elektroden' s struktur och kemi och minskar gradvis hur mycket energi den kan lagra.
Resultaten strider mot några av de antaganden som forskarna hade gjort om denna process och kunde föreslå nya sätt att konstruera elektroder för att förhindra det.
Forskargruppen från Department of Energy' s SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University beskrev sitt arbete i Nature Energy idag.
& quot; Vi kunde mäta en mycket liten grad av syre som sipprar ut, någonsin så långsamt, över hundratals cykler," sa Peter Csernica, doktorand vid Stanford som arbetade med experimenten med docent Will Chueh." Det faktum att det&# 39 är så långsamt är också det som gjorde det svårt att upptäcka det."
En tvåvägs gungstol
Litiumjonbatterier fungerar som en gungstol och flyttar litiumjoner fram och tillbaka mellan två elektroder som tillfälligt lagrar laddning. Helst är dessa joner de enda saker som rör sig in och ut ur de miljarder nanopartiklar som utgör varje elektrod. Men forskare har länge vetat att syreatomer läcker ut ur partiklarna när litium rör sig fram och tillbaka. Det har varit svårt att fastställa detaljerna eftersom signalerna från dessa läckor är för små för att mäta direkt.
& quot; Den totala mängden syre läckage, över 500 cykler laddning och urladdning, är 6%," Sa Csernica." Det' är inte ett så litet antal, men om du försöker mäta mängden syre som kommer ut under varje cykel, är det&# 39 ungefär en hundradedel av en procent."
I denna studie mätte forskare istället indirekt läckaget genom att titta på hur syreförlust modifierar partiklarnas kemi och struktur. De spårade processen i flera längdskalor - från de minsta nanopartiklarna till klumpar av nanopartiklar till hela elektrodens tjocklek.
Eftersom det&# 39 är så svårt för syreatomer att röra sig i fasta material vid temperaturerna där batterierna fungerar, har den konventionella visheten varit att syreläckage bara kommer från ytorna på nanopartiklar, sade Chueh, även om detta har varit uppe till debatt.
För att få en närmare titt på vad&som händer cyklade forskargruppen batterier under olika tid, tog isär dem och skivade elektrodnanopartiklarna för detaljerad undersökning vid Lawrence Berkeley National Laboratory' s Avancerad ljuskälla. Där skannade ett specialiserat röntgenmikroskop över proverna, vilket gjorde högupplösta bilder och undersökte den kemiska sammansättningen av varje liten fläck. Denna information kombinerades med en beräkningsteknik som kallas ptychography för att avslöja detaljer i nanoskala, mätt i miljondels meter.
Under tiden, vid SLAC' s Stanford Synchrotron Light Source, sköt teamet röntgenstrålar genom hela elektroder för att bekräfta att det de såg på nanoskalanivå också var sant i en mycket större skala.
En burst, sedan en sippra
Genom att jämföra de experimentella resultaten med datormodeller om hur syreförlust kan uppstå, drog teamet slutsatsen att en första syrgasutbrott flyter ut från partiklarnas ytor, följt av en mycket långsam sippra från inredningen. Där nanopartiklar glomade samman för att bilda större klumpar, förlorade de nära mitten av klumpen mindre syre än de nära ytan.
En annan viktig fråga, sade Chueh, är hur förlusten av syreatomer påverkar det material de lämnade." Det' är faktiskt ett stort mysterium," han sa." Föreställ dig atomerna i nanopartiklarna är som tätt packade sfärer. Om du fortsätter att ta ut syreatomer kan det hela krascha och förtätas, eftersom strukturen gillar att hålla sig tätt packad."
Eftersom denna aspekt av elektrodens&# 39: s struktur inte kunde avbildas direkt, jämförde forskarna återigen andra typer av experimentella observationer mot datormodeller av olika syreförlustscenarier. Resultaten visade att lediga platser kvarstår - materialet kollapsar inte och förtätas - och föreslår hur de bidrar till batteriets' s gradvisa nedgång.
& quot; När syre lämnar migrerar omgivande mangan-, nickel- och koboltatomer. Alla atomer dansar ur sina ideala positioner," Sa Chueh." Denna omläggning av metalljoner, tillsammans med kemiska förändringar orsakade av saknat syre, försämrar batteriets spänning och effektivitet över tiden. Människor har känt aspekter av detta fenomen under lång tid, men mekanismen var oklar."
Nu sa han," vi har denna vetenskapliga, bottom-up-uppfattning" av denna viktiga källa till batteriförbrukning, vilket kan leda till nya sätt att mildra syreförlust och dess skadliga effekter.
