Nyt katodedesign løser stor barriere for bedre lithium-ion-batterier

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory har en lang historie med banebrydende opdagelser med lithium-ion-batterier. Mange af disse opdagelser har fokuseret på en batterikatode kendt som NMC, et nikkel-mangan-koboltoxid. Batterier med denne katode driver nu Chevy Bolt.

Argonne-forskere har fået endnu et gennembrud med NMC-katoden. Holdets nye struktur for katodens partikler i mikrostørrelse kan føre til længerevarende og sikrere batterier, der kan fungere ved meget høj spænding og drive køretøjer til længere køreafstande. Et papir om denne forskning udkom i Nature Energy .

"Den nuværende NMC-katode har udgjort en stor barriere for drift ved højspænding," sagde Guiliang Xu, assisterende kemiker. Med ladnings-afladningscyklus falder ydeevnen hurtigt på grund af revner, der dannes i katodepartiklerne. I flere årtier har batteriforskere søgt efter måder at fjerne disse revner på.

En tidligere tilgang involverede sfæriske partikler i mikroskala bestående af adskillige meget mindre partikler. De store sfæriske partikler er polykrystallinske med forskelligt orienterede krystallinske områder. Som et resultat har de, hvad forskerne omtaler som korngrænser mellem partikler, som forårsager revner ved battericykling. For at forhindre dette havde Xu og Argonne-kolleger tidligere udviklet en beskyttende polymerbelægning omkring hver partikel. Denne belægning omgiver de store sfæriske partikler og mindre inde i dem.

En anden tilgang til at undgå denne revnedannelse involverer enkeltkrystalpartikler. Elektronmikroskopi af disse partikler viste, at de ikke har nogen grænser.

Problemet holdet stod over for var, at katoder lavet af både coatede polykrystaller og enkeltkrystaller stadig dannede revner under cykling. Så de udsatte disse katodematerialer for omfattende analyser på Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanoscale Materials (CNM), DOE Office of Science brugerfaciliteter i Argonne.

Forskellige røntgenanalyser blev udført ved fem APS-strålelinjer (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C og 34-ID-E). Det viste sig, at det, forskerne havde troet, var enkeltkrystaller, som det fremgår af elektron- og røntgenmikroskopi, faktisk havde grænser indeni. Scannings- og transmissionselektronmikroskopier ved CNM bekræftede fundet.

"Når vi ser på overflademorfologien af ​​disse partikler, ligner de enkeltkrystaller," sagde fysiker Wenjun Liu. "Men når vi bruger en teknik kaldet synkrotron røntgendiffraktionsmikroskopi og andre teknikker ved APS, finder vi grænser, der gemmer sig indeni."

Det er vigtigt, at holdet udviklede en metode til fremstilling af grænsefri enkeltkrystaller. Afprøvning af små celler med sådanne enkeltkrystalkatoder ved meget høj spænding viste en stigning på 25 % i energilagring pr. volumenenhed, næsten uden tab af ydeevne over 100 testcyklusser. I modsætning hertil faldt kapaciteten over den samme cykluslevetid med 60 % til 88 % i NMC-katoder bestående af enkeltkrystaller med mange indre grænser eller med coatede polykrystaller.

Beregninger på atomær skala afslørede mekanismen bag kapacitetsfaldet i katoden. Ifølge nanoforsker Maria Chan i CNM, sammenlignet med regionerne væk fra dem, er grænser mere sårbare over for tab af iltatomer, når batteriet oplades. Dette ilttab fører til nedbrydning med cellecyklus.

"Vores beregninger viste, hvordan grænser fører til iltfrigivelse ved høj spænding og derfor ydeevnenedgang," sagde Chan.

Eliminering af grænserne forhindrer iltfrigivelse og forbedrer derved katodesikkerheden og stabiliteten ved cykling. Oxygenfrigivelsesmålinger ved APS og Advanced Light Source ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory understøttede denne opdagelse.

"Vi har nu retningslinjer, som batteriproducenter kan bruge til at forberede katodemateriale, der er grænsefrit og fungerer ved højspænding," sagde Khalil Amine, en Argonne Distinguished Fellow. "Og retningslinjerne bør gælde for andre katodematerialer udover NMC." + Udforsk yderligere

Grundlæggende batteriopdagelse kan påvirke transporten og nettet