Forskere forudser materialer til at stabilisere et lithium-ion-batteri med rekordhøj kapacitet

Et forskningshold fra Northwestern University har fundet måder at stabilisere et nyt batteri med en rekordhøj ladekapacitet. Baseret på en lithium-mangan-oxid katode, gennembruddet kunne gøre det muligt for smartphones og batteridrevne biler at holde mere end dobbelt så lang tid mellem opladninger.

"Denne batterielektrode har realiseret en af ​​de højeste nogensinde rapporterede kapaciteter for alle overgangsmetal-oxid-baserede elektroder. Den er mere end dobbelt så stor som kapaciteten i forhold til materialer i din mobiltelefon eller bærbare computer, "sagde Christopher Wolverton, Jerome B. Cohen professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering, der ledede undersøgelsen. "Denne form for høj kapacitet ville repræsentere et stort fremskridt til målet om lithium-ion-batterier til elektriske køretøjer."

Undersøgelsen blev offentliggjort online 14. maj i Videnskabens fremskridt .

Lithium-ion-batterier fungerer ved at flytte lithium-ioner frem og tilbage mellem anoden og katoden. Katoden er lavet af en forbindelse, der består af lithiumioner, et overgangsmetal og oxygen. Overgangsmetallet, typisk kobolt, lagrer og frigiver effektivt elektrisk energi, når lithiumioner bevæger sig fra anoden til katoden og tilbage. Katodens kapacitet er så begrænset af antallet af elektroner i overgangsmetallet, der kan deltage i reaktionen.

Et fransk forskerhold rapporterede første gang den store kapacitet lithium-mangan-oxid-forbindelse i 2016. Ved at erstatte den traditionelle kobolt med billigere mangan, teamet udviklede en billigere elektrode med mere end dobbelt kapacitet. Men det var ikke uden udfordringer. Batteriets ydeevne blev forringet så betydeligt inden for de første to cyklusser, at forskere ikke anså det for kommercielt levedygtigt. De forstod heller ikke helt den kemiske oprindelse af den store kapacitet eller nedbrydningen.

Efter at have komponeret en detaljeret, atom-for-atom billede af katoden, Wolvertons team opdagede årsagen til materialets høje kapacitet:Det tvinger ilt til at deltage i reaktionsprocessen. Ved at bruge oxygen – ud over overgangsmetallet – til at lagre og frigive elektrisk energi, batteriet har en højere kapacitet til at opbevare og bruge mere lithium.

Næste, Northwestern-holdet fokuserede på at stabilisere batteriet for at forhindre dets hurtige nedbrydning.

"Bevæbnet med viden om opladningsprocessen, vi brugte beregninger med høj kapacitet til at scanne gennem det periodiske system for at finde nye måder at legere denne forbindelse med andre elementer, der kunne forbedre batteriets ydeevne, "sagde Zhenpeng Yao, medførsteforfatter af papiret og en tidligere ph.d. studerende i Wolvertons laboratorium.

Beregningerne udpegede to elementer:krom og vanadium. Holdet forudsiger, at blanding af begge grundstoffer med lithium-mangan-oxid vil producere stabile forbindelser, der opretholder katodens hidtil usete høje kapacitet. Næste, Wolverton og hans samarbejdspartnere vil eksperimentelt teste disse teoretiske forbindelser i laboratoriet.