En strategi til at opnå ultrahøj effekt og energitæthed i lithium-ion-batterier

I de seneste år, lithium-baserede batterier er blevet meget brugt til at drive en lang række elektroniske enheder, inklusive tablets, smartphones og bærbare computere. Disse batterier har forskellige rum, kaldet celler, som hver indeholder en positiv elektrode og en negativ elektrode adskilt af et kemikalie kendt som en elektrolyt.

Positive elektroder er generelt sammensat af lithiumforbindelser, såsom LiCoO ₂ eller LiFePO ₄ , mens negative elektroder normalt er lavet af kulstof. Elektrolytten der adskiller dem, på den anden side, kan være lavet af en række forskellige kemiske stoffer.

I lyset af den hurtige vækst i brugen af ​​lithium-ion-batterier, forskere verden over har forsøgt at identificere materialer, der kunne øge deres effektivitet og ydeevne. Ideelt set disse materialer bør indeholde elementer, der er rigelige på planeten og har en høj energitæthed.

Forskere ved University of California Berkeley og Lawrence Berkeley National laboratorium har for nylig introduceret en ny strategi til at designe elektrodematerialer til lithium-baserede batterier med en bemærkelsesværdig høj effekt og energitæthed. Denne strategi, beskrevet i et papir udgivet i Naturenergi , indebærer brug af to bulkoxyfluorider med en delvis spinellignende orden, nemlig Li _1,68 Mn _1.6 O _3.7 F _0,3 og Li _1,68 Mn _1.6 O _3.4 F _0,6 . Forskerne syntetiserede disse to oxyfluorider ved hjælp af en teknik kendt som mekanokemisk legering.

"Vi viser, at en kombination af en delvis spinellignende kationrækkefølge og et betydeligt lithiumoverskud muliggør både tæt og hurtig energilagring, " skrev forskerne i deres papir. "Kationoverstøkiometri og den resulterende partielle rækkefølge bruges til at eliminere de faseovergange, der er typiske for ordnede spineller og muliggøre en større praktisk kapacitet, mens overskydende lithium bruges synergistisk med fluorsubstitution for at skabe en høj lithiummobilitet."

Den tilgang til at designe katodematerialer introduceret af forskerne har indtil videre vist sig at være meget lovende. I en række foreløbige eksperimenter, de resulterende katoder opnåede bemærkelsesværdige energier på over 1, 100 Wh kg ^-1 , udledningshastigheder op til 20 A g ^-1 og en kapacitet over 360 mA h g ^-1 _, , som er blandt de hidtil højeste rapporterede. I øvrigt, en stor del af denne kapacitet blev opretholdt over tid, selv når batterierne blev genopladet flere gange.

Interessant nok, næsten halvdelen af ​​kapaciteten stammer fra en proces kendt som oxygenredox (dvs. oxidationsreduktion). Mens dette fænomen er blevet bredt undersøgt i Li-rige lagdelte Ni-Mn-Co-oxider eller i uordnede stensalte, det er sjældent blevet observeret i spinel-type katoder som dem, der er syntetiseret af forskerne.

I deres eksperimenter, forskerne var også i stand til at optimere kationoverstøikometri og Li-overskud, to kemiske kvaliteter, der kan hjælpe med at tune strukturen af ​​elektrodematerialer. Dette gjorde det muligt for dem at opnå en række ønskværdige katodekarakteristika såsom hurtig Li-transportkinetik og fremragende spændingsprofiler.

I fremtiden, designstrategien kunne tjene som rettesnor for realisering af katodematerialer til lithiumbaserede batterier med høj effekt og energitæthed. I øvrigt, de to oxyfluorider syntetiseret i deres undersøgelse kunne bruges til at skabe nye, højtydende batterier.

© 2020 Science X Network