Gradient Li-rige oxid katodepartikler til batterier med minimal iltfrigivelse

Lithium-rig overgangsmetaloxid (Li _1+X M _1-X O ₂ ) katoder har potentiale til brug i Li-ion-batterier, til at drive elektroniske enheder og elektriske køretøjer. Disse katoder har en høj energitæthed, typisk over 900 Wh kg ^-1 , men de kommer i øjeblikket også med betydelige begrænsninger.

Det mest afgørende problem observeret i de fleste Li-rige katoder er, at de frigiver ilt til elektrolytter, og dermed, deres spænding falder, mens de bliver brugt. Denne betydelige begrænsning har forhindret deres udbredte anvendelse i årevis.

Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) har for nylig udtænkt en strategi, der kunne hjælpe med at overvinde dette problem, immunisering af Li-rige oxidkatodepartikler mod iltfrigivelse. Denne nye strategi, beskrevet i et papir udgivet i Naturenergi , involverer en smeltet saltbehandling, der eliminerer frigivelsen af ​​oxygen fra Li-rige enkeltkrystaller til elektrolytter ved at gøre overfladeregionen Li-fattig, mens det stadig muliggør stabile oxygenredox-bidrag inde i partiklerne.

"Vores hovedmål var at udnytte oxygenets kapacitet til redoxreaktioner uden at lave de reducerede oxygenioner (dvs. "peroxo" og "superoxo"-lignende) globalt mobile, hvilket betyder, at de kan undslippe katodepartikeloverfladen og reagere med elektrolytten inde i et batteri, "Ju Li, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore.

De reducerede oxygenioner inde i Li-rige katoder ligner noget metal-peroxo- og metal-superoxo-komplekser; forbindelser, gennem hvilke blod transporterer ilt i dyr. Peroxoen (O ^- ) og superoxo (O ^0,5- ) arter, samtidig med at de bidrager med kapacitet, har meget højere mobilitet end standard O ^2- . I Li _1+X M _1-X O ₂ katoder. Disse oxygenioner kan bevæge sig frit rundt og i sidste ende undslippe fra katodepartiklerne, reagerer med og forurener den flydende elektrolyt.

For at forhindre dette i at ske, Li og hans kolleger implementerede en behandling, der involverede ekstraktion af lithiumoxid (LiO) ved hjælp af smeltet molybdatsalt ved høje temperaturer. De fandt ud af, at denne behandling tillader overfladen at få sammensætningen Li _1-X' M _1+X' O ₂ uden at forstyrre gitterkontinuiteten eller skabe overskydende defekter (epitaksial), dermed fjerner peroxo (O ^- ) og superoxo (O ^0,5- ) arter nær overfladen, forhindrer de Li-rige enkeltkrystaller i at frigive ilt til elektrolytter.

"Vi udførte en immuniseringsbehandling, så et overfladeområde omkring ~10nm tykt er udtømt for ilt, og vil derfor være ekstra stabil i battericykling, " sagde Li. "Immuniseringsbehandlingen blev udført ved en høj temperatur på 700°C, så når vi udvinder ilt og lithium, reparerer gitteret sig selv ved termisk udglødning og går jævnt fra Li-rig til Li-fattig, uden yderligere defekter og uden at miste den perfekte gitterkohærens af den enkeltkrystallinske partikel."

Immuniseringsstrategien udtænkt af Li og hans kolleger påvirker ikke metalvalenstilstandene og strukturen af ​​Li-rige krystaller inde i katoden, således opretholde en stabil oxygenanion-redox (O ^2- ↔O ^- ) kapacitetsbidrag, mens et batteri er i drift. I test, der evaluerer deres strategi, forskerne fandt ud af, at det resulterede i en gradient hybrid anion- og kation-redox (HACR) katode med en specifik densitet eller 843 Wh kg ^-1 efter 200 cyklusser ved 0,2C og 808 Wh kg ^-1 efter 100 cyklusser ved 1C, med et minimum af iltfrigivelse og dermed lavere forbrug af elektrolytten i batteriet.

"Vores undersøgelse viser, at det er muligt at cykle en batteri fuld celle med meget lidt mængde elektrolyt (industrielt niveau på 2g (elektrolyt)/Ah), indikerer, at vi har stoppet ilttabet, mens vi udnytter iltens redoxkapacitet, " sagde Li. "Dette såkaldte 'fast oxygen' batterikoncept har potentialet til at fordoble katodernes energitæthed."

Ved at reducere den iltfrigivelse, der typisk observeres i Li-rige katoder, strategien udtænkt af Li og hans kolleger kunne i sidste ende lette kommercialiseringen og den udbredte brug af lithiumbaserede batterier drevet af disse katoder. Interessant nok, immuniseringsbehandlingen beskrevet i deres undersøgelse kan også anvendes på andre elementer, hjælper med at undertrykke eller forhindre uventede overfladereaktioner i batterier. I deres næste studier, forskerne planlægger at opskalere syntesen i det Li-rige katodebaserede batteri og yderligere forbedre den komprimerede tæthed af HACR-katoder.

© 2020 Science X Network