Tredobling af energilagringen af ​​lithium-ion-batterier

Da efterspørgslen efter smartphones, elektriske køretøjer, og vedvarende energi fortsætter med at stige, forskere søger efter måder at forbedre lithium-ion-batterier - den mest almindelige type batteri, der findes i hjemmeelektronik og en lovende løsning til energilagring i netskala. En forøgelse af energitætheden af ​​lithium-ion-batterier kan lette udviklingen af ​​avancerede teknologier med langtidsholdbare batterier, samt den udbredte brug af vind- og solenergi. Nu, forskere har gjort betydelige fremskridt i retning af at nå dette mål.

Et samarbejde ledet af forskere ved University of Maryland (UMD), det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, og U.S. Army Research Lab har udviklet og studeret et nyt katodemateriale, der kunne tredoble energitætheden af ​​lithium-ion batterielektroder. Deres forskning blev offentliggjort den 13. juni i Naturkommunikation .

"Lithium-ion-batterier består af en anode og en katode, " sagde Xiulin Fan, en videnskabsmand ved UMD og en af ​​hovedforfatterne af papiret. "Sammenlignet med den store kapacitet af de kommercielle grafitanoder, der bruges i lithium-ion-batterier, kapaciteten af ​​katoderne er langt mere begrænset. Katodematerialer er altid flaskehalsen for yderligere at forbedre energitætheden af ​​lithium-ion-batterier."

Forskere ved UMD syntetiserede et nyt katodemateriale, en modificeret og konstrueret form for jerntrifluorid (FeF3), som er sammensat af omkostningseffektive og miljøvenlige elementer - jern og fluor. Forskere har været interesseret i at bruge kemiske forbindelser som FeF3 i lithium-ion-batterier, fordi de i sagens natur har højere kapacitet end traditionelle katodematerialer.

"De materialer, der normalt bruges i lithium-ion-batterier, er baseret på interkalationskemi, " sagde Enyuan Hu, en kemiker ved Brookhaven og en af ​​avisens hovedforfattere. "Denne type kemisk reaktion er meget effektiv, men det overfører kun en enkelt elektron, så katodekapaciteten er begrænset. Nogle forbindelser som FeF3 er i stand til at overføre flere elektroner gennem en mere kompleks reaktionsmekanisme, kaldet en konverteringsreaktion."

På trods af FeF3's potentiale til at øge katodekapaciteten, stoffet har ikke historisk fungeret godt i lithium-ion-batterier på grund af tre komplikationer med dets omdannelsesreaktion:dårlig energieffektivitet (hysterese), langsom reaktionshastighed, og bivirkninger, der kan forårsage dårligt cykelliv. For at overkomme disse udfordringer, forskerne tilføjede kobolt- og oxygenatomer til FeF3 nanorods gennem en proces kaldet kemisk substitution. Dette gjorde det muligt for forskerne at manipulere reaktionsvejen og gøre den mere "reversibel".

"Når lithium-ioner indsættes i FeF3, materialet omdannes til jern og lithiumfluorid, " sagde Sooyeon Hwang, en medforfatter af papiret og en videnskabsmand ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Imidlertid, reaktionen er ikke fuldt reversibel. Efter at have erstattet med kobolt og ilt, katodematerialets hovedramme er bedre vedligeholdt, og reaktionen bliver mere reversibel."

For at undersøge reaktionsvejen, forskerne udførte flere eksperimenter på CFN og National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - to DOE Office of Science-brugerfaciliteter i Brookhaven.

Først hos CFN, forskerne brugte en kraftig elektronstråle til at se på FeF3 nanoroderne med en opløsning på 0,1 nanometer - en teknik kaldet transmissionselektronmikroskopi (TEM). TEM-eksperimentet gjorde det muligt for forskerne at bestemme den nøjagtige størrelse af nanopartiklerne i katodestrukturen og analysere, hvordan strukturen ændrede sig mellem forskellige faser af ladning-afladningsprocessen. De så en hurtigere reaktionshastighed for de erstattede nanorods.

"TEM er et kraftfuldt værktøj til at karakterisere materialer i meget små længdeskalaer, og det er også i stand til at undersøge reaktionsprocessen i realtid, " sagde Dong Su, en videnskabsmand ved CFN og en co-korresponderende forfatter til undersøgelsen. "Imidlertid, vi kan kun se et meget begrænset område af prøven ved hjælp af TEM. Vi var nødt til at stole på synkrotronteknikkerne på NSLS-II for at forstå, hvordan hele batteriet fungerer."

Ved NSLS-II's X-ray Powder Diffraction (XPD) beamline, videnskabsmænd ledede ultra-lyse røntgenstråler gennem katodematerialet. Ved at analysere, hvordan lyset spredte sig, forskerne kunne "se" yderligere information om materialets struktur.

"På XPD, vi udførte parfordelingsfunktion (PDF) målinger, som er i stand til at detektere lokale jernbestillinger over et stort volumen, " sagde Jianming Bai, en medforfatter af papiret og en videnskabsmand ved NSLS-II. "PDF-analysen af ​​de afladede katoder afslørede klart, at den kemiske substitution fremmer elektrokemisk reversibilitet."

Kombination af meget avancerede billeddannelses- og mikroskopiteknikker ved CFN og NSLS-II var et kritisk trin for at vurdere funktionaliteten af ​​katodematerialet.

"Vi udførte også avancerede beregningsmetoder baseret på tæthedsfunktionel teori for at dechifrere reaktionsmekanismen på atomær skala, " sagde Xiao Ji, en videnskabsmand ved UMD og medforfatter til papiret. "Denne tilgang afslørede, at kemisk substitution flyttede reaktionen til en meget reversibel tilstand ved at reducere partikelstørrelsen af ​​jern og stabilisere stensaltfasen." Forskere ved UMD siger, at denne forskningsstrategi kan anvendes til andre højenergiomdannelsesmaterialer, og fremtidige undersøgelser kan bruge tilgangen til at forbedre andre batterisystemer.