Voor het eerst hebben onderzoekers waargenomen hoe lithiumionen over batterij-interfaces stromen, wat ingenieurs zou kunnen helpen het ontwerp van materialen te optimaliseren. Onderzoekers van MIT, Stanford University, SLAC National Accelerator en Toyota Research Institute hebben baanbrekende vooruitgang geboekt bij het begrijpen van lithiumijzerfosfaat, een belangrijk batterijmateriaal. Met behulp van geavanceerde röntgenbeeldanalyse ontdekten ze dat veranderingen in de efficiëntie van het materiaal verband houden met de dikte van de koolstofcoating. De ontdekking zou de prestaties van de batterij kunnen verbeteren.

Een team van onderzoekers van MIT, Stanford University, SLAC National Accelerator Laboratory en Toyota Research Institute gebruikte machinaal leren om röntgenbeelden van lithiumionen die de nanodeeltjes van de batterijelektrode binnenkomen en verlaten (links) opnieuw te analyseren tijdens het fietsen van de batterij. De valse kleuren in deze afbeelding tonen de ladingstoestand van elk deeltje en onthullen de inhomogene processen binnen individuele deeltjes. Beeldbron: Cube3D

Door röntgenbeeldgegevens te verzamelen hebben onderzoekers van MIT, Stanford University, SLAC National Accelerator en Toyota Research Institute belangrijke nieuwe ontdekkingen gedaan over de reactiviteit van lithiumijzerfosfaat, een materiaal dat wordt gebruikt in accu's van elektrische auto's en andere oplaadbare batterijen.

De nieuwe technologie bracht een aantal voorheen ongeziene verschijnselen aan het licht, waaronder veranderingen in de snelheid van lithium-intercalatiereacties in verschillende gebieden van lithium-ijzerfosfaat-nanodeeltjes.

De belangrijkste praktische bevinding van het artikel is dat veranderingen in deze reactiesnelheden verband houden met verschillen in de dikte van de koolstofcoating op het oppervlak van de deeltjes, wat de laad- en ontlaadefficiëntie van dergelijke batterijen kan verbeteren.

Door röntgenbeelden te delven hebben MIT-onderzoekers een belangrijke nieuwe ontdekking gedaan over de reactiviteit van lithiumijzerfosfaat, een materiaal dat wordt gebruikt in accu's van elektrische auto's en andere oplaadbare batterijen. In elk paar deeltjes in de figuur bevindt het eigenlijke deeltje zich aan de linkerkant en het gesimuleerde deeltje van de onderzoekers aan de rechterkant. Beeldbron: Aangeleverd door onderzoekers

Interface-techniek

"Wat we uit dit onderzoek hebben geleerd, is dat het de interface is die de dynamiek van de batterij echt regelt, vooral in de moderne batterijen van vandaag, gemaakt van nanodeeltjes van actieve materialen." Martin Bazant, senior auteur van de studie en de E.G. Roos Hoogleraar Scheikundige Technologie en Hoogleraar Wiskunde aan het MIT.

Deze methode om de fysica achter complexe patronen in afbeeldingen te ontdekken, zou ook kunnen worden gebruikt om in veel andere materialen te duiken, waaronder niet alleen andere soorten batterijen, maar ook biologische systemen zoals de delende cellen van een zich ontwikkelend embryo.

"Ik denk dat het meest opwindende aan dit werk is dat we beelden kunnen maken van een systeem dat een patroon vormt en de principes kunnen leren die dat patroon bepalen," zei Bazant.

gezamenlijk onderzoek

Dr. Hongbo Zhao, eerste auteur van de nieuwe studie, was een afgestudeerde student aan het MIT en is nu postdoc aan de Princeton University. Andere auteurs zijn onder meer Richard Bratz, de Edwin R. Gilliland hoogleraar chemische technologie aan het MIT, William Chueh, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de Stanford University en directeur van het SLAC-Stanford Battery Center, en Brian Storey, senior directeur energie en materialen bij het Toyota Research Institute.

"Tot nu toe konden we prachtige röntgenfilms maken van nanodeeltjes in batterijen op het werk, maar het meten en begrijpen van de subtiele details van hoe ze functioneren was moeilijk omdat de films zo informatief waren", zei Chueh. "Door het leren van beelden uit deze films op nanoschaal kunnen we inzichten verwerven die voorheen niet beschikbaar waren."

Modellering van reactiesnelheid

Lithium-ijzerfosfaatbatterij-elektroden zijn samengesteld uit vele kleine lithium-ijzerfosfaatdeeltjes omgeven door een elektrolytoplossing. Typische deeltjes hebben een diameter van ongeveer 1 micron en een dikte van ongeveer 100 nanometer. Terwijl een batterij ontlaadt, stromen lithiumionen uit de elektrolytoplossing in het materiaal via een elektrochemische reactie die ionenintercalatie wordt genoemd. Wanneer de batterij wordt opgeladen, wordt de intercalatiereactie omgekeerd en stromen de ionen in de tegenovergestelde richting.

"Lithiumijzerfosfaat (LFP) is een belangrijk batterijmateriaal vanwege de lage kosten, goede veiligheidseigenschappen en het gebruik van overvloedige elementen, " zei Storey. "We zien een toenemend gebruik van lithiumijzerfosfaat op de markt voor elektrische voertuigen, dus de timing van dit onderzoek kon niet beter zijn."

Voorafgaand aan deze studie had Bazant uitgebreide theoretische modellering uitgevoerd over de vormen van intercalatievorming van lithiumionen. Lithiumijzerfosfaat bestaat het liefst in een van de twee stabiele fasen: vol met lithiumionen of leeg. Sinds 2005 werkt Bazant aan wiskundige modellen van dit fenomeen, bekend als fasescheiding, dat wordt aangestuurd door intercalatiereacties die unieke lithiumion-stroompatronen produceren. In 2015, tijdens een sabbatical aan Stanford, begon hij samen te werken met Chueh om te proberen beelden van lithiumijzerfosfaatdeeltjes te interpreteren door middel van scanning-tunneling röntgenmicroscopie.

Met behulp van deze microscoop kunnen onderzoekers beelden verkrijgen die pixel voor pixel de concentratie lithiumionen op elk punt in het deeltje laten zien. Ze kunnen het deeltje meerdere keren scannen terwijl het oplaadt of ontlaadt, waardoor een film ontstaat van hoe lithiumionen in en uit het deeltje bewegen.

In 2017 ontvingen Bazant en zijn collega's bij SLAC financiering van het Toyota Research Institute om verder onderzoek uit te voeren met deze aanpak, samen met andere batterijgerelateerde onderzoeksprojecten.

inzichten en bevindingen

Door röntgenbeelden van 63 lithium-ijzerfosfaatdeeltjes te analyseren terwijl ze aan het opladen en ontladen waren, ontdekten de onderzoekers dat de beweging van lithiumionen in het materiaal vrijwel identiek was aan eerdere computersimulaties gemaakt door Bazant. De onderzoekers gebruikten alle 180.000 pixels als meetgegevens om computermodellen te trainen om vergelijkingen te genereren die nauwkeurig de niet-evenwichtsthermodynamica en reactiekinetiek van batterijmaterialen beschrijven.

"Elke kleine pixel binnenin springt van vol naar leeg, van vol naar leeg. We brengen het hele proces in kaart en gebruiken onze vergelijkingen om te begrijpen hoe dit gebeurt", zei Bazant.

De onderzoekers ontdekten ook dat de door hen waargenomen lithiumion-stroompatronen ruimtelijke variaties konden onthullen in de snelheid waarmee lithiumionen op elke locatie op het deeltjesoppervlak worden geabsorbeerd.

"Het verraste ons echt dat we naar de beelden konden kijken om de heterogeniteiten in het systeem te begrijpen - in dit geval veranderingen in de reactiesnelheden van het oppervlak. Sommige gebieden leken heel snel te reageren, en sommige gebieden leken heel langzaam te reageren," zei Bazant.

Bovendien ontdekten de onderzoekers dat deze verschillen in reactiesnelheden verband hielden met de dikte van de koolstofcoating op het oppervlak van de lithiumijzerfosfaatdeeltjes. De koolstofcoating op lithiumijzerfosfaat helpt het elektriciteit te geleiden - anders zou het materiaal de elektriciteit te langzaam geleiden om bruikbaar te zijn als batterij.

Op nanoschaal bepalen veranderingen in de dikte van de koolstofcoating rechtstreeks de geleidbaarheid, iets dat zonder deze modellering en beeldanalyses nooit zou zijn ontdekt. De bevindingen bieden ook kwantitatieve ondersteuning voor een hypothese die Bazant enkele jaren geleden heeft voorgesteld: dat de prestaties van lithium-ijzerfosfaatelektroden voornamelijk worden beperkt door de snelheid van gekoppelde ion-elektronenoverdracht op het grensvlak tussen de vaste deeltjes en de koolstofcoating, in plaats van de snelheid van lithiumionendiffusie in de vaste stof.

Optimaliseer materialen

De resultaten van dit onderzoek laten zien dat het optimaliseren van de dikte van de koolstoflaag op het elektrodeoppervlak onderzoekers kan helpen batterijen te ontwerpen die efficiënter werken, aldus de onderzoekers.

Dit is het eerste onderzoek dat de eigenschappen van het batterijmateriaal direct kan koppelen aan de fysieke eigenschappen van de coating. De focus van het optimaliseren en ontwerpen van batterijen moet liggen op het beheersen van de reactiekinetiek op het grensvlak van elektrolyt en elektrode.

"De publicatie van dit artikel is het resultaat van zes jaar hard werken en samenwerken", aldus Storey. "Deze technologie stelt ons in staat de innerlijke werking van batterijen bloot te leggen op een manier die nog nooit eerder mogelijk is geweest. Ons volgende doel is het verbeteren van het batterijontwerp door dit nieuwe inzicht toe te passen."

Naast het gebruik van deze analysemethode op andere batterijmaterialen, verwacht Bazant dat deze kan worden gebruikt om patroonvorming in andere chemische en biologische systemen te bestuderen.