Forskere opdager innovativ tilgang til fremstilling af nye lithium-ion-batterimaterialer

Forskere ved Boise State University har udviklet en ny tilgang til fremstilling af nye lithium-ion batterimaterialer. Med udgangspunkt i et amorft (dvs. et materiale, der mangler lang rækkefølge) niobiumoxid, opdagede holdet, at selve handlingen med at cykle materialet med lithium inducerer en transformation til en ny krystallinsk Nb₂ O₅ anode med enestående Li-opbevaring og hurtig cykling. Denne proces kan potentielt bruges til at fremstille andre lithium-ion batterimaterialer, som ikke let kan fremstilles med traditionelle midler.

Undersøgelsen, ledet i fællesskab af forskere i laboratorierne i Hui (Claire) Xiong, professor i materialevidenskab og teknik ved Boise State University, og Shyue Ping Ong, professor i nanoteknik ved University of California San Diego, blev offentliggjort i Naturmaterialer .

Opdagelsen af ​​nye materialer til lithium-ion-batterier har fået fornyet et presserende behov. På grund af stigende gaspriser har der været en stigning i efterspørgslen efter elektriske køretøjer (EV'er) og med det efter de lithium-ion-batterier, der driver dem. Men nutidens lithium-ion-batterier er stadig for dyre og oplades for langsomt.

"Lithium-ion-batterier er den førende teknologi til genopladelige batterier-markedet, men der er også en stigning i efterspørgslen efter, at batteriet har høj energi og hurtigere opladningstider," siger Pete Barnes, en Ph.D. alumnus fra Xiongs elektrokemiske energimaterialelaboratorium i Micron School of Materials Science and Engineering og hovedforfatteren af ​​værket. "Hvis du vil oplade din elbil i 15 minutter og derefter køre på vejen de næste 200 eller 300 miles, har du brug for nye batterielektroder, der kan oplades i en meget hurtig hastighed uden stort tab i ydeevne."

Blandt en af ​​de største flaskehalse ved opladning i nutidens lithium-ion-batterier er anoden. Den mest almindelige anode er lavet af grafit, som er meget energitæt, men som ikke kan oplades for hurtigt på grund af risikoen for brand og eksplosioner fra en proces kendt som lithiummetalbelægning. Interkalationsmetaloxider, som stensaltet Nb₂ O₅ materiale opdaget af teamet, er lovende anodealternativer på grund af den reducerede risiko for lithiumplettering ved lave spændinger.

For at skabe det nye anodemateriale udviklede Xiongs gruppe en innovativ ny teknik kaldet elektrokemisk induceret amorf-til-krystallinsk transformation. Den nye elektrode kan opnå høj lithiumlagring på 269 mAh/g ved en opladningshastighed på 20 mA/g, og endnu vigtigere, fortsætter med at bevare en høj kapacitet på 191 mAh/g ved en høj opladningshastighed på 1 A/g.

"Det mest spændende aspekt af dette arbejde er opdagelsen af ​​en helt ny tilgang til at skabe nye lithium-ion batterielektroder," sagde Xiong. "Tricket er at starte fra en højere energifase, såsom et amorft materiale. Bare det at cykle materialet med lithium giver os mulighed for at skabe nye krystallinske arrangementer, der udviser forbedrede egenskaber ud over dem, der er lavet via traditionelle midler såsom faststofreaktioner."

Anodens exceptionelle hastighedsydelse skyldes dens uordnede stensalt- eller DRX-struktur, som er som almindeligt køkkenbordssalt, men med Li- og Nb-atomerne arrangeret på en tilfældig måde. Mens DRX-katodematerialer er velkendte, er DRX-anoder relativt sjældne. Ved hjælp af beregningsteknikker, Yunxing Zuo, en Ph.D. alumnus fra Ong's Materials Virtual Lab ved UC San Diego, viste, at processen med at indsætte Li i amorf Nb₂ O₅ giver materialeforskere adgang til metastabile materialer. Holdet udviklede også en metrik til at identificere andre metaloxider, der potentielt kan syntetiseres på lignende måde. Beregningerne viser også, at DRX-strukturen indeholder stier til hurtig lithiumdiffusion, hvilket resulterer i høj hastighedsydelse.

"Vi mener, at dette arbejde blot er begyndelsen på en helt ny måde at tænke materialesyntese på," sagde Ong. "Atomer kan lide at arrangere sig selv på bestemte måder. Når vi laver materialer på den traditionelle måde, får vi normalt de samme arrangementer igen og igen. Denne nye tilgang åbner en lovende vej til at skabe andre ukonventionelle metaloxider."

Holdet samarbejdede også med Dr. Sungsik Lee, Justin Connell, Hua Zhou og Yuzi Liu fra Argonne National Laboratory, Profs. Paul Davis, Paul Simmonds og Dr. Darin Schwartz fra Boise State, og Dr. Yingge Du og Zihua Zhu fra Pacific Northwest National Laboratory. + Udforsk yderligere

Reaktive elektrolytadditiver forbedrer lithiummetalbatteriets ydeevne