Materialforskarna Ming Tang från Rice University och kemiker Song Jin vid University of Wisconsin-Madison och Linsen Li i Wisconsin och Massachusetts Institute of Technology genomförde en studie som kombinerade röntgenspektroskopi och modellering i syfte att vinna mer kännedom om litiumtransport i batterikatoder. Studien avslöjade hittills okända detaljer om litiumjonbatterier.
Forskarna upptäckte att ett vanligt katodmaterial för litiumjonbatterier, i form av olivinitiumjärnfosfat, släpper ut eller tar in litiumjoner över en mycket större areal än man trodde tidigare.
- Vi vet att det här materialet fungerar väldigt bra men det pågår fortfarande mycket diskussioner om varför det sker, sade Tang.
- I många avseenden är detta material inte konstruerat att vara så användbart, men på något sätt översteg det ändå våra förväntningar.
En del av orsaken, sade Tang, beror på de atomer som är felplacerade i kristallgittret, som är känt som motplatsdefekt. Sådana defekter är omöjliga att fullständigt eliminera vid tillverkningsprocessen. Enligt Tang leder fenomenet till att verkligt elektrodmaterial beter sig väldigt annorlunda än perfekta kristaller.
Detta fenomen kan potentiellt hjälpa tillverkare att utveckla bättre litiumjonbatterier, än de som används idag i otaliga elektroniska enheter över hela världen.
Ledande författare till studien Liang Hong och Li från Wisconsin och MIT samt deras kollegor samarbetade med Department of Energy Scientists vid Brookhaven National Laboratory.
Forskarna använde kraftfulla synkrotrona ljuskällor och observerade i realtid vad som händer inom batterimaterialet när det belastas. De genomförde också datasimuleringar för att kunna förklara sina observationer.
- En sak vi upptäckte var, sade Tang, att mikroskopiska defekter i elektroder har en positiv funktion och att de inte var ett dataprogramfel.
- Folk brukar tro att defekter är dåliga företeelser för batterimaterial och att de förstör egenskaper och prestanda, sade Tang.
Han tillade ”att med hjälp av ökat antal bevis kunde vi styrka vår tes om att det är en bra sak att ha en lämplig mängd så kallade punktfel”.
- Inuti en defektfri, perfekt kristallgitter av en litiumjärnfosfatkatod kan litium nämligen röra sig bara i en riktning, sade Tang.
Det beror på att litiuminterkaleringsreaktionen kan sprida sig över endast en fraktion av partikelns yta. Men forskarteamet gjorde en överraskande upptäckt när man analyserade Li: s röntgenspektroskopiska bilder:
Ett partikelfel förändrar fundamentalt elektrodens litiumtransportegenskaper och gör det möjligt för litium att studsa inuti katoden i mer än i en riktning. Det ökar den reaktiva ytan och möjliggör effektivare utbyte av litiumjoner mellan katoden och elektrolyten.
Eftersom katoden i den här studien tillverkades med en typisk syntesmetod, sade Tang, är upptäckten mycket relevant även för praktiska tillämpningar.
Källa: University of Wisconsin-Madison och Wisconsin och Massachusetts Institute of Technology
