Knacken in Li

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Forscher auf der ganzen Welt streben nach weiteren Batterietechnologien, vor allem mit dem Ziel, die Energiedichte zu erhöhen und die Ladezeiten zu verkürzen. In einem bedeutenden Fortschritt hat eine Studie eines Wissenschaftlerteams der University of Michigan herausgefunden, dass die Risse in der positiven Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien dazu beitragen können, die Ladezeit der Batterie zu verkürzen.

Die Wahrnehmung von Rissen, von denen normalerweise bekannt ist, dass sie die Batterielebensdauer verkürzen, wurde mithilfe einer von der Neurowissenschaft inspirierten Technik gelöst. Dies widerspricht der Überzeugung vieler Hersteller von Elektroautos, dass Risse die Batterielebensdauer verkürzen.

„Viele Unternehmen sind daran interessiert, „Millionen-Meilen“-Batterien aus Partikeln herzustellen, die nicht reißen. Wenn die Risse entfernt werden, können die Batteriepartikel leider nicht schnell aufgeladen werden, ohne die zusätzliche Oberfläche dieser Risse zu nutzen“, sagte er Yiyang Li, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik, in einer Erklärung der Universität.

Die Studie wurde in der Zeitschrift Energy and Environmental Sciences veröffentlicht.

Die Forscher schätzen, dass ihre Studie auf mehr als die Hälfte aller Elektroautobatterien anwendbar sein wird, in denen die positive Elektrode (oder Kathode) aus Milliarden winziger Partikel besteht, die entweder aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid bestehen.

„Theoretisch hängt die Geschwindigkeit, mit der sich die Kathode auflädt, vom Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis der Partikel ab. Kleinere Partikel sollten sich schneller aufladen als größere Partikel, da sie im Verhältnis zum Volumen eine größere Oberfläche haben, sodass die Lithiumionen kürzere Entfernungen haben diffundieren durch sie hindurch.“

Herkömmliche Techniken konnten jedoch nicht direkt die Ladeeigenschaften einzelner Kathodenpartikel erfassen, sondern nur den Durchschnitt aller Partikel, aus denen die Kathode der Batterie besteht. Aufgrund dieser Einschränkung war der allgemein angenommene Zusammenhang zwischen Ladegeschwindigkeit und Kathodenpartikelgröße nur eine Annahme.

„Wir stellen fest, dass die Kathodenpartikel Risse aufweisen und über aktivere Oberflächen zur Aufnahme von Lithiumionen verfügen – nicht nur an ihrer Außenfläche, sondern auch innerhalb der Partikelrisse. Batteriewissenschaftler wissen, dass es zu Rissen kommt, haben aber nicht gemessen, wie stark sich Risse auf die Ladung auswirken.“ Geschwindigkeit", sagte Jinhong Min, ein Doktorand in der am Projekt beteiligten Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen.

Die Messung der Ladegeschwindigkeit einzelner Kathodenpartikel war entscheidend für die Bestimmung des Nutzens von Crackkathoden. Dies gelang dem Team, indem es die Partikel in ein Gerät einführte, mit dem Neurowissenschaftler routinemäßig analysieren, wie einzelne Gehirnzellen elektrische Impulse kommunizieren.

Das Team entwarf Arrays, also 2 x 2 Zentimeter große Geräte mit bis zu 100 Mikroelektroden. Eine Nadel, die 70-mal feiner als ein menschliches Haar ist, wurde verwendet, um einzelne Partikel auf ihre Elektroden auf dem Array zu bewegen, nachdem mehrere Kathodenpartikel in der Mitte des Geräts verteilt wurden. Sie konnten bis zu vier einzelne Partikel gleichzeitig auf dem Array laden und entladen, nachdem die Partikel an Ort und Stelle waren, und bei dieser speziellen Untersuchung wurden 21 Partikel überwacht.

Das Experiment ergab, dass die Laderaten der Kathodenpartikel unabhängig von ihrer Größe waren. Die plausibelste Erklärung für dieses überraschende Verhalten ist, dass sich größere Partikel beim Zerbrechen wie eine Ansammlung kleinerer Partikel verhalten. Eine andere Theorie besagt, dass sich Lithiumionen in den Korngrenzen, den mikroskopischen Spalten zwischen den nanoskaligen Kristallen, aus denen das Kathodenpartikel besteht, sehr schnell fortbewegen. Li hält dies für unwahrscheinlich, es sei denn, der Elektrolyt in der Batterie – das flüssige Medium, in dem sich die Lithiumionen bewegen – durchdringt diese Grenzen und bildet Risse.

Beim Bau langlebiger Batterien mit einkristallinen Partikeln, die nicht brechen, müssen dem Team zufolge die Vorteile von gebrochenen Materialien berücksichtigt werden. Diese Partikel müssen möglicherweise kleiner sein als die heutigen schädlichen Kathodenpartikel, um schnell aufgeladen zu werden. „Die Alternative besteht darin, einkristalline Kathoden aus unterschiedlichen Materialien herzustellen, die Lithium schneller transportieren können, aber diese Materialien könnten durch die Versorgung mit notwendigen Metallen begrenzt sein oder eine geringere Energiedichte aufweisen“, sagte Li.

Da der Übergang zu Elektrofahrzeugen weltweit immer schneller voranschreitet, hofft die Studie, Aufschluss über die Überzeugungen und Bemühungen der Hersteller zu geben, Risse zu reduzieren, um die Haltbarkeit der Batterien zu gewährleisten.

Abstrakt

Polykristalline Li(Ni,Mn,Co)O2 (NMC)-Sekundärpartikel sind die häufigsten Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien. Es wird angenommen, dass Lithium während der elektrochemischen (Ent-)Ladung durch die Masse diffundiert und in die Sekundärpartikel an der Oberfläche eindringt (diese verlässt). Basierend auf diesem Modell würden kleinere Partikel aufgrund kürzerer Diffusionslängen und größerer Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse schneller zirkulieren. In dieser Arbeit bewerten wir diese weit verbreitete Annahme, indem wir eine neue Einzelpartikel-Elektrochemieplattform mit hohem Durchsatz entwickeln, die das Multi-Elektroden-Array aus den Neurowissenschaften nutzt. Durch die Messung der Reaktions- und Diffusionszeiten für 21 einzelne Partikel in flüssigen Elektrolyten konnten wir keine Korrelation zwischen der Partikelgröße und den Reaktions- oder Diffusionszeiten feststellen, was im krassen Gegensatz zum vorherrschenden Lithiumtransportmodell steht. Wir schlagen vor, dass elektrochemische Reaktionen im Inneren von Sekundärpartikeln ablaufen, wahrscheinlich aufgrund des Eindringens von Elektrolyt in Risse. Unsere elektrochemische Einzelpartikelplattform mit hohem Durchsatz eröffnet neue Möglichkeiten für die robuste, statistische Quantifizierung einzelner Partikel in elektrochemischen Systemen.