Eile macht Verschwendung, wie das Sprichwort sagt. Eine solche Maxime mag insbesondere für Batterien gelten, dank einer neuen Studie, die versucht, die Gründe zu ermitteln, die dazu führen, dass sich die Leistung von schnell aufgeladenen Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen verschlechtert.
In einer neuen Studie des US-Energieministeriums (DAMHIRSCHKUH) Argonne National Laboratory haben Wissenschaftler ein interessantes chemisches Verhalten eines der beiden Pole der Batterie beim Laden und Entladen der Batterie festgestellt.
Lithium-Ionen-Batterien enthalten sowohl eine positiv geladene Kathode als auch eine negativ geladene Anode, die durch ein Material namens Elektrolyt getrennt sind, das Lithiumionen zwischen ihnen bewegt. Die Anode dieser Batterien besteht normalerweise aus Graphit – dem gleichen Material, das in vielen Bleistiften vorkommt. In Lithium-Ionen-Batterien hingegen ist der Graphit aus kleinen Partikeln zusammengesetzt. In diese Partikel können sich die Lithiumionen in einem Prozess namens Interkalation einlagern. Wenn die Interkalation richtig erfolgt, kann die Batterie erfolgreich geladen und entladen werden.
Wenn eine Batterie jedoch zu schnell geladen wird, wird die Interkalation zu einer kniffligeren Angelegenheit. Anstatt glatt in den Graphit einzudringen, neigen die Lithiumionen dazu, sich auf der Oberfläche der Anode zu aggregieren, was zu einem . führt“plating“-Effekt, der eine Batterie beschädigen kann – kein Wortspiel beabsichtigt –.
“Plating ist eine der Hauptursachen für eine beeinträchtigte Batterieleistung während des Schnellladens“, sagte Daniel Abraham, der Batteriewissenschaftler von Argonne, ein Autor der Studie.“Als wir die Batterie schnell aufladen, stellten wir fest, dass sich neben der Beschichtung auf der Anodenoberfläche auch Reaktionsprodukte in den Elektrodenporen ansammelten.“ Als Ergebnis erfährt die Anode selbst ein gewisses Maß an irreversibler Ausdehnung, was die Batterieleistung beeinträchtigt.
Mit einer Technik namens Rasterelektronen-Nanobeugung beobachteten Abraham und seine Kollegen von der University of Illinois Urbana-Champaign eine weitere bemerkenswerte Veränderung an den Graphitpartikeln. Auf atomarer Ebene wird das Gitter der Graphitatome an den Partikelkanten durch die wiederholte Schnellladung verzerrt, was den Interkalationsprozess behindert.“Grundsätzlich sehen wir, dass sich das Atomnetzwerk im Graphit verzieht und dies verhindert, dass Lithium-Ionen ihre . finden‘home’ in den Partikeln – stattdessen plattieren sie die Partikel“, sagte er.
“Je schneller wir unsere Batterie aufladen, desto atomarer wird die Anode ungeordnet, was letztendlich verhindert, dass sich die Lithium-Ionen hin und her bewegen können“, sagte Abraham.“Der Schlüssel besteht darin, Wege zu finden, diesen Organisationsverlust entweder zu verhindern oder die Graphitpartikel irgendwie zu modifizieren, damit die Lithiumionen effizienter interkalieren können.“
Ein Papier basierend auf der Studie, “Erhöhte Unordnung an den Kanten von Graphitpartikeln, die durch die Charakterisierung von Anoden von schnell geladenen Lithium-Ionen-Zellen auf mehreren Längenskalen gezeigt wurde“, erschien im Oktober 8 Ausgabe der Zeitschrift der Elektrochemischen Gesellschaft.
Zu den weiteren Autoren der Studie gehören neben Abraham Marco-Tulio Rodrigues von Argonne sowie Jian-Min Zuo und Saran Pidaparthy von der University of Illinois Urbana-Champaign. Die Forschung wurde gefördert von der DAMHIRSCHKUH‘s Office of Science, und Pidaparthys Forschung wurde vom Office of Science Graduate Student Research (SCGSR) Programm, das darauf abzielt, Doktoranden auf STENGEL Karrieren entscheidend für DAMHIRSCHKUH‘s Missionen.
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Artikel mit freundlicher Genehmigung von (DOE Science News Source) Argonne National Laboratory.
Bild mit freundlicher Genehmigung des Argonne National Laboratory.
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