Forskere opdager vejen til at forbedre spilskiftende batterielektrode

Hvis du tilføjer mere lithium til den positive elektrode på et lithium-ion batteri - overfyld det, på en måde - den kan opbevare meget mere ladning på den samme mængde plads, teoretisk driver en elbil 30 til 50 procent længere mellem opladningerne. Men disse lithium-rige katoder mister hurtigt spænding, og mange års forskning har ikke været i stand til at finde ud af hvorfor - indtil nu.

Efter at have set på problemet fra mange vinkler, forskere fra Stanford University, to nationale laboratorier fra Department of Energy og batteriproducenten Samsung skabte et omfattende billede af, hvordan de samme kemiske processer, der giver disse katoder deres høje kapacitet, også er forbundet med ændringer i atomstrukturen, der undertrykker ydeevnen.

"Dette er gode nyheder, " sagde William E. Gent, en kandidatstuderende fra Stanford University og Siebel Scholar, der ledede undersøgelsen. "Det giver os en lovende ny vej til optimering af spændingsydelsen af ​​lithiumrige katoder ved at kontrollere den måde, deres atomstruktur udvikler sig på, når et batteri oplades og aflades."

Michael Toney, en fremtrædende stabsforsker ved SLAC National Accelerator Laboratory og en medforfatter af papiret, tilføjet, "Det er en kæmpe aftale, hvis man kan få disse lithium-rige elektroder til at virke, fordi de ville være en af ​​mulighederne for elbiler med en meget længere rækkevidde. Der er enorm interesse i bilindustrien for at udvikle måder at implementere disse på. og at forstå, hvad de teknologiske barrierer er, kan hjælpe os med at løse de problemer, der holder dem tilbage."

Holdets rapport vises i dag i Naturkommunikation .

Forskerne studerede katoderne med en række røntgenteknikker ved SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) og Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source (ALS). Teoretikere fra Berkeley Labs Molecular Foundry, ledet af David Prendergast, var også involveret, hjælpe forsøgslederne til at forstå, hvad de skal kigge efter, og forklare deres resultater.

Selve katoderne blev fremstillet af Samsung Advanced Institute of Technology ved hjælp af kommercielt relevante processer, og samlet til batterier svarende til dem i elektriske køretøjer.

"Dette sikrede, at vores resultater repræsenterede en forståelse af et banebrydende materiale, der ville være direkte relevant for vores industripartnere, " sagde Gent. Som ALS doktorgradsstipendiat i residence, han var involveret i både eksperimenterne og den teoretiske modellering til undersøgelsen.

Som en spand, der er halvtom

Batterier omdanner elektrisk energi til kemisk energi til opbevaring. De har tre grundlæggende dele - to elektroder, katoden og anoden, og den flydende elektrolyt mellem dem. Når et lithium-ion-batteri oplades og aflades, lithium-ioner pendler frem og tilbage mellem de to elektroder, hvor de sætter sig selv ind i elektrodematerialerne.

Jo flere ioner en elektrode kan absorbere og frigive i forhold til dens størrelse og vægt - en faktor kendt som kapacitet - jo mere energi kan den lagre og jo mindre og lettere kan et batteri være. giver batterier mulighed for at krympe og elbiler til at rejse flere kilometer mellem opladninger.

"Katoden i nutidens lithium-ion-batterier fungerer ved kun omkring halvdelen af ​​dens teoretiske kapacitet, hvilket betyder, at den skal kunne holde dobbelt så længe pr. opladning, " sagde Stanford Professor William Chueh, en efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC.

"Men du kan ikke lade den helt op. Det er som en spand, du fylder med vand, men så kan du kun hælde halvdelen af ​​vandet ud. Dette er en af ​​de store udfordringer på området lige nu - hvordan får man disse katodematerialer til at opføre sig op til deres teoretiske kapacitet? Det er derfor, folk har været så begejstrede for udsigten til at lagre meget mere energi i lithiumrige katoder."

Ligesom nutidens katoder, lithiumrige katoder er lavet af lag af lithium, der er klemt mellem lag af overgangsmetaloxider - elementer som nikkel, mangan eller kobolt kombineret med ilt. Tilføjelse af lithium til oxidlaget øger katodens kapacitet med 30 til 50 procent.

Forbindelse af prikkerne

Tidligere forskning havde vist, at flere ting sker samtidigt, når lithiumrige katoder oplades, Chueh sagde:Lithium-ioner bevæger sig ud af katoden og ind i anoden. Nogle overgangsmetalatomer flytter ind for at tage deres plads. I mellemtiden iltatomer frigiver nogle af deres elektroner, fastlæggelse af den elektriske strøm og spænding til opladning, ifølge Chueh. Når lithiumionerne og elektronerne vender tilbage til katoden under afladning, de fleste af overgangsmetalinterloperne vender tilbage til deres oprindelige steder, men ikke dem alle og ikke med det samme. Med hver cyklus, dette frem og tilbage ændrer katodens atomstruktur. Det er som om spanden forvandles til en mindre og lidt anderledes spand, Chueh tilføjede.

"Vi vidste, at alle disse fænomener sandsynligvis var relaterede, men ikke hvordan, " sagde Chueh. "Nu viser denne suite af eksperimenter på SSRL og ALS mekanismen, der forbinder dem, og hvordan man kontrollerer den. Dette er en væsentlig teknologisk opdagelse, som folk ikke har forstået holistisk."

Hos SLAC's SSRL, Toney og hans kolleger brugte en række røntgenmetoder til at foretage en omhyggelig bestemmelse af, hvordan katodens atomare og kemiske struktur ændrede sig, efterhånden som batteriet blev opladet og afladet.

Et andet vigtigt værktøj var blød røntgen RIXS, eller resonant uelastisk røntgenspredning, som indhenter atom-skala information om et materiales magnetiske og elektroniske egenskaber. Et avanceret RIXS-system, der startede i drift på ALS sidste år, scanner prøver meget hurtigere end før.

"RIXS er mest blevet brugt til grundlæggende fysik, " sagde ALS-forsker Wanli Yang. "Men med dette nye ALS-system, vi ønskede virkelig at åbne RIXS for praktiske materialestudier, herunder energirelaterede materialer. Nu hvor dets potentiale for disse undersøgelser er blevet delvist demonstreret, vi kunne nemt udvide RIXS til andre batterimaterialer og afsløre information, der ikke var tilgængelig før."

Holdet arbejder allerede på at bruge den grundlæggende viden, de har opnået, til at designe batterimaterialer, der kan nå deres teoretiske kapacitet og ikke miste spænding over tid.