U Michigan-Studie findet Rissbildung in Li

Laut einer Studie der University of Michigan sind Risse in den Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien nicht nur schädlich, sondern verkürzen auch die Ladezeit der Batterie. Dies widerspricht der Ansicht vieler Hersteller von Elektrofahrzeugen, die versuchen, Risse zu minimieren, weil sie die Lebensdauer der Batterie verkürzen. Ein Open-Access-Artikel zu der Arbeit ist in der RSC-Fachzeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht.

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.

Vorgeschlagener Mechanismus für größenunabhängige Reaktions- und Diffusionszeiten(A) Das Standardmodell für den Lithiumtransport auf Partikelebene geht davon aus, dass Lithium in die Oberfläche der Sekundärpartikel eindringt und in die Masse diffundiert. Dadurch nimmt die effektive Diffusionslänge mit dem Sekundärpartikeldurchmesser zu.(B) Min et al. schlagen vor, dass die relevante Längenskala (rEffective) viel kürzer als der Radius des Sekundärpartikels und unabhängig vom Sekundärpartikeldurchmesser ist. Eine Möglichkeit besteht darin, dass der Elektrolyt durch interkristalline Rissbildung in das Partikel eindringt. Min et al.

Das Team geht davon aus, dass die Ergebnisse auf mehr als die Hälfte aller Batterien von Elektrofahrzeugen zutreffen, bei denen die Kathode aus Billionen mikroskopisch kleiner Partikel besteht, die entweder aus Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid oder Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid bestehen.

Theoretisch hängt die Geschwindigkeit, mit der sich die Kathodenladungen aufladen, vom Oberflächen-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 Distanzen haben, um durch sie zu diffundieren.

Allerdings konnten herkömmliche Methoden die Ladeeigenschaften einzelner Kathodenpartikel nicht direkt messen, sondern nur den Durchschnitt aller Partikel, aus denen die Kathode der Batterie besteht. Diese Einschränkung bedeutet, dass der weithin akzeptierte Zusammenhang zwischen Ladegeschwindigkeit und Kathodenpartikelgröße lediglich eine Annahme war.

Die Messung der Ladegeschwindigkeit einzelner Kathodenpartikel war der Schlüssel zur Entdeckung der Vorteile des Crackens von Kathoden. Dies erreichten die Forscher, indem sie die Partikel in ein Mehrfachelektroden-Array einführten – ein Gerät, das normalerweise von Neurowissenschaftlern verwendet wird, um zu untersuchen, wie einzelne Gehirnzellen elektrische Signale übertragen.

Design und Herstellung von Multi-Elektroden-Arrays(A) Schematische Darstellung eines Hochdurchsatz-Mehrfachelektroden-Arrays. Au-Mikroelektroden werden auf einem Siliziumsubstrat mit 500 nm thermischem Oxid strukturiert. An der Grenze des Arrays sind Au-Kontaktpads mit jeweils etwa 1 mm Durchmesser angebracht und elektrisch mit den Mikroelektroden in der Mitte verbunden.(B) Ein optisches Bild der Elektroden. Der Chip enthält 2 große Gegen-/Referenzelektroden und 62 kleinere Arbeitsmikroelektroden.(C) Vergrößertes Bild von vier funktionierenden Mikroelektroden mit zusammengesetzten NMC-Partikeln. Jede Au-Mikroelektrode ist 20 × 20 µm groß; Die Au-Drähte sind mit 50 nm Siliziumnitrid passiviert.(D)REM-Aufnahme eines Partikels auf einer funktionierenden Mikroelektrode.(e) Querschnitts-REM eines Partikels, das durch plasmafokussiertes Ionenstrahlfräsen erhalten wurde. Die Maßstabsbalken in jedem Bild betragen jeweils 300 µm (b), 30 µm (c), 3 µm (d) und 3 µm (e). Min et al.

Bei der Entwicklung langlebiger Batterien mit einkristallinen Partikeln, die nicht reißen, müssen die Vorteile von rissigen Materialien berücksichtigt werden. Um eine schnelle Aufladung zu ermöglichen, müssen diese Partikel möglicherweise kleiner sein als die heutigen Crack-Kathodenpartikel. Die Alternative besteht darin, einkristalline Kathoden aus unterschiedlichen Materialien herzustellen, die Lithium schneller bewegen können, aber diese Materialien könnten durch die Versorgung mit notwendigen Metallen begrenzt sein oder eine geringere Energiedichte aufweisen, Yiyang Li, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik und korrespondierender Autor von heißt es in der Studie.

Das Gerät wurde in der Lurie Nanofabrication Facility gebaut und am Michigan Center for Materials Characterization untersucht.

Die Forschung wurde von LG Energy Solution, dem Battery Innovation Contest und dem University of Michigan College of Engineering finanziert.

Ressourcen

Jinhong Min, Lindsay M. Gubow, Riley J. Hargrave, Jason B. Siegel und Yiyang Li (2023) „Direkte Messungen der größenunabhängigen Lithiumdiffusion und Reaktionszeiten in einzelnen polykristallinen Batteriepartikeln“ Energy Environ. Wissenschaft. doi: 10.1039/D3EE00953J

Gepostet am 02. August 2023 in Batterien, Markthintergrund | Permalink | Kommentare (1)