Nye undersøgelser af uordnede katoder kan give tiltrængt stød til lithiumbatterier

Dagens lithium-ion batteri blev opfundet så længe siden, der er ikke mange flere effektiviteter at vride ud af det. Nu rapporterer forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) store fremskridt i katoder med såkaldte "uordnede" materialer, en lovende ny type lithiumbatteri.

I et par papirer, der blev offentliggjort denne måned i Naturkommunikation og Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ), et team af forskere under ledelse af Gerbrand Ceder er kommet med et sæt regler for fremstilling af nye uordnede materialer, en proces, der tidligere var drevet af trial-and-error. De fandt også en måde at inkorporere fluor, hvilket gør materialet både mere stabilt og har højere kapacitet.

"Dette ser virkelig ud til at være en interessant ny retning til fremstilling af katoder med høj energitæthed, "sagde Ceder, en senior fakultetsforsker ved Berkeley Lab, der også har en aftale på UC Berkeleys afdeling for materialevidenskab og teknik. "Det er bemærkelsesværdigt, at alle de uordnede rocksalte, folk har fundet på indtil nu, har meget høj batterikapacitet. I PRL -papiret giver vi en retningslinje for, hvordan man mere systematisk kan lave disse materialer."

Fordelene ved uorden

Katodematerialet i lithiumbatterier er typisk "bestilt, "hvilket betyder, at lithium- og overgangsmetalatomerne er arrangeret i pæne lag, tillader lithium at bevæge sig ind og ud af lagene. Et par år siden, Ceders gruppe opdagede, at visse typer uordnet materiale kunne gemme endnu mere lithium, giver batterier højere kapacitet.

Hovedforfatteren til PRL -papiret, "Den elektroniske struktur oprindelse af kationforstyrrelse i overgangsmetaloxider, "er Alexander Urban, en postdoktor i Berkeley Lab.

"På trods af deres attraktive egenskaber, at opdage nye uordnede materialer har hovedsagelig været drevet af forsøg og fejl og ved at stole på menneskelig intuition, "Sagde Urban." Nu har vi for første gang identificeret et simpelt designkriterium til at forudsige nye uordnede sammensætninger. Den nye forståelse etablerer et forhold mellem de kemiske arter, lokale forvrængninger af krystalstrukturen, og tendensen til at danne uordnede faser. "

Den anden fordel ved at bruge uordnede materialer er evnen til at undgå brug af kobolt, en begrænset ressource, med mere end halvdelen af ​​verdens forsyning i politisk ustabile lande. Ved at flytte til uordnede rocksalte, batteri designere kunne være fri til at bruge en bredere vifte af kemi. For eksempel, uordnede materialer er blevet fremstillet ved hjælp af chrom, titanium, og molybdæn.

"Vi ønsker evnen til at have mere kompositionsfrihed, så vi kan indstille andre parametre, "Ceder sagde." Der er så mange egenskaber at optimere - spændingen, den langsigtede stabilitet, om det er let at syntetisere - der er så meget, der går i at tage et batterimateriale til en kommerciel fase. Nu har vi en opskrift på, hvordan man laver disse materialer. "

Hvordan og hvorfor fluorere batterier

Et andet stort fremskridt inden for lithium-ion-batterier er rapporteret i Naturkommunikation papir, "Formindskende ilttab for at forbedre cykelydelsen for katodematerialer med høj kapacitet, kationforstyrret, "som viser, at uordnede materialer kan fluoreres, i modsætning til andre batterimaterialer. Fluorering giver to fordele:det tillader mere kapacitet og gør materialet mere stabilt. I et batteri, den øgede stabilitet vil oversætte til en enhed med lang cykluslevetid, og det er mindre tilbøjeligt til at tage ild.

Bladets hovedforfatter, Jinhyuk Lee, tidligere en Berkeley Lab -forsker, arbejdet med forskere ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en kilde til røntgenstråler til videnskabelig forskning, at foretage in situ eksperimenter. "ALS var virkelig vigtigt for at forstå den mekanisme, hvormed vi får højere kapacitet, "Ceder sagde." Det der er virkelig fedt er, at du kan se på batteriet, mens det fungerer, og se på katodernes elektroniske struktur. Så du lærer, hvordan det oplades og udledes, hvor elektronerne går, hvilket er et afgørende aspekt ved opbevaring af opladninger. "

ALS-forskere Shawn Sallis og Wanli Yang er medforfattere, ligesom Bryan McCloskey fra Berkeley Lab. "Hans gruppe var afgørende for at vise, at disse materialer er mere stabile og ikke taber ilt, "Sagde Ceder.

Nu hvor de har demonstreret konceptet, Ceder planlægger at følge op ved at forsøge at tilføre endnu mere fluor til materialerne.

"Nye katodematerialer er den hotteste retning i Li-ion-batterier, "Ceder sagde." Feltet sidder lidt fast. For at få flere forbedringer i energilagring er der kun et par retninger at gå. Den ene er solid-state batterier, og den anden er at blive ved med at forbedre energitætheden af ​​elektrodematerialer. De to udelukker ikke hinanden. Denne forskningslinje er bestemt ikke udtømt endnu. "