Positron som ett nytt verktyg för forskning på litium-jon-batterier

Batterier, katoden består av en blandning av nickel, mangan, kobolt, och litium, som för närvarande anses vara den mest effektiva. Men de har också en begränsad livslängd. Från den första cykeln förlorar upp till 10% av sin kapacitet. Varför detta är och vad som kan göras åt den efterföljande gradvis förlust av kapacitet, nu har utforskat en tvärvetenskaplig grupp av forskare vid tekniska universitetet i München (TUM) med hjälp av positron detalj.

Så kallade NMC-batterier, vars katoder består av en blandning av nickel, mangan, kobolt och litium, har till stor del drivit bort konventionella litium-koboltoxid-batterier från marknaden. De är billigare och säkrare och används därför bland annat i el- och hybridbilar. Men även med dem bidrar bara lite mer än 50% av litiumatomerna till den faktiska kapaciteten. Medan 62 % av litiumatomerna fortfarande kunde lossna från kristallgittret under den första urladdningen av elektroderna som undersöktes vid Münchens tekniska universitet, återvänder endast 54 % när de laddas om.

I efterföljande cykler förlusten är verkligen mycket lägre, men kapaciteten minskar gradvis från allt längre. Efter flera tusen cykler, är den kvarvarande kapaciteten då så låg att batteriet är oanvändbar.

Tagna positron visar hål i nätet

Undersökningar från andra grupper visade att inte alla litiumatomer hittar tillbaka till lämpliga luckor i kristallgittret under laddning. Tidigare metoder kunde dock inte visa de atomära processer som är ansvariga för detta. Som så ofta är fallet kom lösningen från tvärvetenskapligt samarbete: Irmgard Buchberger, som arbetar på ordföranden för teknisk elektrokemi vid Tekniska universitetet i München, kontaktade Stefan Seidlmayer, som också forskar om batteriteknologier vid forskningsneutronkällan FRM II på Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).

Han ordnade kontakt med Christoph Hugenschmidt, som är ansvarig för Nepomuc-instrumentet vid MLZ. Den genererar positroner, elektronernas antipartiklar, som kan användas för att specifikt söka efter hål i kristallgitter. "Som extremt små och mycket rörliga partiklar kan positroner flyga genom material. Om de träffar en elektron hamnar de direkt i en energiblixt, hittar de en tom fläck i kristallgittret så överlever de mycket längre”, förklarar Markus Reiner som gjort experimenten på Nepomuc-instrumentet.

Eftersom positroner är fångade under en kort tid i de tomma gitter platser innan de slutligen förintas ännu kan metod som nämns vara med positron Annihilationsspektroskopie exakta slutsatser om den lokala miljön oavgjort - och detta med en mycket hög känslighet, eftersom det kan finnas brister koncentrationer upp till 1: 10 miljoner upptäcka.

Riktade materialutveckling

Studien visar tydligt att "hål" som finns kvar i katodmaterialets galler under laddning är förknippade med den irreversibla kapacitetsförlusten och denna blockering beror på otillräcklig fyllning av hålen i katodmaterialet. "Nu är det vår tur igen som kemister", säger professor Hubert Gasteiger, ordförande för teknisk elektrokemi. "Genom att specifikt modifiera katodmaterialet kan vi nu leta efter sätt att kringgå denna barriär."

"För Batterierforskning, är Garchings forskningsneutronkälla ett oerhört användbart verktyg”, säger Ralph Gilles, som koordinerar mätningarna för batteriforskningsprojektet Exzellum vid FRM II. "Med neutroner kan vi se små atomer som litium, i synnerhet, ja, även genom metallskalet medan maskinen är i drift. Med positronerna har vi nu öppnat upp ytterligare en möjlighet att bättre förstå processerna och därmed kunna förbättra dem ytterligare.”

Forskningen finansierades av förbundsministeriet för utbildning och forskning (BMBF) inom projektet Exzelltum. Dessutom är driften av den använda för studien I samband Doppler Breddning spektrometer finansieras av BMBF.