Zum ersten Mal haben Forscher beobachtet, wie Lithiumionen über Batterieschnittstellen fließen, was Ingenieuren dabei helfen könnte, das Materialdesign zu optimieren. Forscher des MIT, der Stanford University, des SLAC National Accelerator und des Toyota Research Institute haben bahnbrechende Fortschritte beim Verständnis von Lithiumeisenphosphat, einem wichtigen Batteriematerial, erzielt. Mithilfe einer fortschrittlichen Röntgenbildanalyse stellten sie fest, dass Änderungen in der Materialeffizienz mit der Dicke der Kohlenstoffbeschichtung zusammenhängen. Die Entdeckung könnte die Batterieleistung verbessern.

Ein Forscherteam vom MIT, der Stanford University, dem SLAC National Accelerator Laboratory und dem Toyota Research Institute nutzte maschinelles Lernen, um Röntgenbilder von Lithiumionen, die während des Batteriezyklus in die Nanopartikel der Batterieelektroden eintreten und diese verlassen, erneut zu analysieren (links). Die Falschfarben in diesem Bild zeigen den Ladungszustand jedes einzelnen Teilchens und offenbaren die inhomogenen Prozesse im Inneren einzelner Teilchen. Bildquelle: Cube3D

Durch die Auswertung von Röntgenbilddaten haben Forscher am MIT, an der Stanford University, am SLAC National Accelerator und am Toyota Research Institute bedeutende neue Entdeckungen über die Reaktivität von Lithiumeisenphosphat gemacht, einem Material, das in Batterien für Elektroautos und anderen wiederaufladbaren Batterien verwendet wird.

Die neue Technologie offenbarte einige bisher ungesehene Phänomene, darunter Veränderungen in der Geschwindigkeit der Lithium-Interkalationsreaktionen in verschiedenen Regionen von Lithium-Eisenphosphat-Nanopartikeln.

Die wichtigste praktische Erkenntnis der Arbeit besteht darin, dass Änderungen dieser Reaktionsgeschwindigkeiten mit Unterschieden in der Dicke der Kohlenstoffbeschichtung auf der Oberfläche der Partikel zusammenhängen, was die Lade- und Entladeeffizienz solcher Batterien verbessern kann.

Mithilfe von Röntgenbildern haben MIT-Forscher eine wichtige neue Entdeckung über die Reaktivität von Lithiumeisenphosphat gemacht, einem Material, das in Batterien von Elektroautos und anderen wiederaufladbaren Batterien verwendet wird. In jedem Partikelpaar in der Abbildung befindet sich das tatsächliche Partikel links und das von den Forschern simulierte Partikel rechts. Bildquelle: Zur Verfügung gestellt von Forschern

Schnittstellentechnik

„Was wir aus dieser Studie gelernt haben, ist, dass es die Schnittstelle ist, die die Batteriedynamik wirklich steuert, insbesondere in den heutigen modernen Batterien, die aus Nanopartikeln aktiver Materialien bestehen.“ Martin Bazant, der leitende Autor der Studie und E.G. Roos-Professor für Chemieingenieurwesen und Professor für Mathematik am MIT.

Diese Methode zur Entdeckung der Physik hinter komplexen Mustern in Bildern könnte auch zur Erforschung vieler anderer Materialien genutzt werden, darunter nicht nur andere Arten von Batterien, sondern auch biologische Systeme wie die sich teilenden Zellen eines sich entwickelnden Embryos.

„Ich denke, das Spannendste an dieser Arbeit ist, dass wir Bilder eines Systems aufnehmen können, das ein Muster bildet, und die Prinzipien lernen, die dieses Muster bestimmen“, sagte Bazant.

gemeinsame Forschung

Dr. Hongbo Zhao, Erstautor der neuen Studie, war Doktorand am MIT und ist jetzt Postdoktorand an der Princeton University. Weitere Autoren sind Richard Bratz, Edwin R. Gilliland-Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, William Chueh, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Stanford University und Direktor des SLAC-Stanford Battery Center, und Brian Storey, leitender Direktor für Energie und Materialien am Toyota Research Institute.

„Bisher konnten wir wunderschöne Röntgenfilme von Batterie-Nanopartikeln bei der Arbeit machen, aber die Messung und das Verständnis der subtilen Details ihrer Funktionsweise war schwierig, weil die Filme so informativ waren“, sagte Chueh. „Durch das Lernen von Bildern aus diesen Nanofilmen können wir Erkenntnisse gewinnen, die bisher nicht verfügbar waren.“

Modellierung der Reaktionsgeschwindigkeit

Lithium-Eisenphosphat-Batterieelektroden bestehen aus vielen winzigen Lithium-Eisenphosphat-Partikeln, die von einer Elektrolytlösung umgeben sind. Typische Partikel haben einen Durchmesser von etwa 1 Mikrometer und eine Dicke von etwa 100 Nanometern. Beim Entladen einer Batterie strömen Lithiumionen durch eine elektrochemische Reaktion, die als Ioneninterkalation bezeichnet wird, aus der Elektrolytlösung in das Material. Beim Laden der Batterie wird die Interkalationsreaktion umgekehrt und die Ionen fließen in die entgegengesetzte Richtung.

„Lithiumeisenphosphat (LFP) ist aufgrund seiner geringen Kosten, guten Sicherheitseigenschaften und der Verwendung reichlich vorhandener Elemente ein wichtiges Batteriematerial“, sagte Storey. „Wir sehen einen zunehmenden Einsatz von Lithiumeisenphosphat auf dem Markt für Elektrofahrzeuge, daher könnte der Zeitpunkt dieser Studie nicht besser sein.“

Vor dieser Studie hatte Bazant umfangreiche theoretische Modellierungen zu den Arten der Lithiumionen-Interkalationsbildung durchgeführt. Lithiumeisenphosphat liegt vorzugsweise in einer von zwei stabilen Phasen vor: entweder voller Lithiumionen oder leer. Seit 2005 arbeitet Bazant an mathematischen Modellen dieses als Phasentrennung bekannten Phänomens, das durch Interkalationsreaktionen angetrieben wird, die einzigartige Lithiumionen-Flussmuster erzeugen. Im Jahr 2015 begann er während seines Sabbaticals in Stanford mit Chueh zusammenzuarbeiten, um zu versuchen, Bilder von Lithiumeisenphosphatpartikeln mithilfe der Rastertunnel-Röntgenmikroskopie zu interpretieren.

Mit diesem Mikroskop können Forscher Bilder erhalten, die Pixel für Pixel die Konzentration von Lithiumionen an jedem Punkt des Partikels zeigen. Sie können das Partikel während des Ladens oder Entladens mehrmals scannen und so einen Film darüber erstellen, wie sich Lithiumionen in das Partikel hinein und aus ihm heraus bewegen.

Im Jahr 2017 erhielten Bazant und seine Kollegen am SLAC Fördermittel vom Toyota Research Institute, um neben anderen batteriebezogenen Forschungsprojekten weitere Forschungen mit diesem Ansatz durchzuführen.

Einsichten und Erkenntnisse

Durch die Analyse von Röntgenbildern von 63 Lithium-Eisenphosphat-Partikeln beim Laden und Entladen stellten die Forscher fest, dass die Bewegung der Lithiumionen im Inneren des Materials nahezu identisch mit früheren Computersimulationen von Bazant war. Die Forscher nutzten alle 180.000 Pixel als Messdaten, um Rechenmodelle zu trainieren, um Gleichungen zu generieren, die die Nichtgleichgewichts-Thermodynamik und Reaktionskinetik von Batteriematerialien genau beschreiben.

„Jedes kleine Pixel im Inneren springt von voll zu leer, von voll zu leer. Wir bilden den gesamten Prozess ab und nutzen unsere Gleichungen, um zu verstehen, wie das passiert“, sagte Bazant.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die von ihnen beobachteten Lithium-Ionen-Flussmuster räumliche Variationen in der Geschwindigkeit aufzeigen könnten, mit der Lithium-Ionen an jeder Stelle der Partikeloberfläche absorbiert werden.

„Es hat uns wirklich überrascht, dass wir uns die Bilder ansehen konnten, um Heterogenitäten im System zu verstehen – in diesem Fall Veränderungen in den Reaktionsgeschwindigkeiten der Oberfläche. Einige Bereiche schienen sehr schnell zu reagieren, andere schienen sehr langsam zu reagieren“, sagte Bazant.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass diese Unterschiede in den Reaktionsgeschwindigkeiten mit der Dicke der Kohlenstoffbeschichtung auf der Oberfläche der Lithiumeisenphosphatpartikel zusammenhängen. Die Kohlenstoffbeschichtung auf Lithiumeisenphosphat trägt zur Stromleitung bei – andernfalls würde das Material den Strom zu langsam leiten, um als Batterie nützlich zu sein.

Auf der Nanoskala steuern Änderungen in der Dicke der Kohlenstoffbeschichtung direkt die Leitfähigkeit, was ohne diese Modellierung und Bildanalysen nie entdeckt worden wäre. Die Ergebnisse liefern auch quantitative Unterstützung für eine von Bazant vor einigen Jahren aufgestellte Hypothese, dass die Leistung von Lithiumeisenphosphat-Elektroden in erster Linie durch die Geschwindigkeit des gekoppelten Ionen-Elektronen-Transfers an der Grenzfläche zwischen den Feststoffpartikeln und der Kohlenstoffbeschichtung und nicht durch die Geschwindigkeit der Lithiumionendiffusion im Feststoff begrenzt wird.

Materialien optimieren

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Optimierung der Dicke der Kohlenstoffschicht auf der Elektrodenoberfläche Forschern dabei helfen kann, Batterien zu entwickeln, die effizienter arbeiten, sagten die Forscher.

Dies ist die erste Studie, die die Eigenschaften des Batteriematerials direkt mit den physikalischen Eigenschaften der Beschichtung verknüpfen kann. Der Schwerpunkt bei der Optimierung und dem Design von Batterien sollte auf der Kontrolle der Reaktionskinetik an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode liegen.

„Die Veröffentlichung dieses Papiers ist der Höhepunkt von sechs Jahren harter Arbeit und Zusammenarbeit“, sagte Storey. „Diese Technologie ermöglicht es uns, das Innenleben von Batterien auf eine noch nie dagewesene Weise aufzudecken. Unser nächstes Ziel ist es, das Batteriedesign durch die Anwendung dieses neuen Verständnisses zu verbessern.“

Bazant geht davon aus, dass diese Analysemethode nicht nur auf andere Batteriematerialien angewendet werden kann, sondern auch zur Untersuchung der Musterbildung in anderen chemischen und biologischen Systemen.