Udrydde et mærkeligt fænomen, der både hjælper og skader lithium-ion-batteriets ydeevne

Lithium-ion-batterierne, der driver elektriske køretøjer og telefoner op- og afladning ved at transportere lithium-ioner frem og tilbage mellem to elektroder, en anode og en katode. Jo flere lithiumioner elektroderne er i stand til at absorbere og frigive, jo mere energi kan batteriet lagre.

Et problem, der plager nutidens kommercielle batterimaterialer, er, at de kun er i stand til at frigive omkring halvdelen af ​​de lithiumioner, de indeholder. En lovende løsning er at proppe katoder med ekstra lithium-ioner, giver dem mulighed for at lagre mere energi på samme mængde plads. Men af ​​en eller anden grund, hver ny opladning og afladningscyklus fjerner langsomt disse lithiumrige katoder for deres spænding og kapacitet.

En ny undersøgelse giver en omfattende model af denne proces, identificere, hvad der giver anledning til det, og hvordan det i sidste ende fører til batteriets undergang. Ledet af forskere fra Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Lawrence Berkeley National Laboratory, den blev offentliggjort i dag i Naturmaterialer .

"Denne forskning adresserede en masse misforståelser på området, " siger studieleder William Gent, en Stanford University Siebel Scholar og vinder af et Advanced Light Source and Molecular Foundry Doctoral Fellowship ved Berkeley Lab. "Der er lang vej igen, men nu har vi en grundlæggende forståelse af de egenskaber, der fører til denne proces, der vil hjælpe os med at udnytte dens kraft i stedet for bare at stikke i den i mørket."

Opsuger det

At cykle af lithium gennem et batteri er som et svamperelæ, en del af picnics og grillaftener fra den fjerde juli, der udfordrer deltagerne til at overføre vand fra en spand til en anden ved kun at bruge en svamp. Jo mere absorberende svampen er, jo mere vand kan presses ind i den anden spand.

Lithium-rige batterikatoder er som superabsorberende svampe, i stand til at opsuge næsten dobbelt så mange lithiumioner som kommercielle katoder, pakker så meget som to gange energien i den samme mængde plads. Dette kan muliggøre mindre telefonbatterier og elbiler, der kører længere mellem opladninger.

De fleste lithium-ion-batterikatoder indeholder vekslende lag af lithium- og overgangsmetaloxider - elementer som nikkel eller kobolt kombineret med oxygen. I kommercielle batterier, hver gang et lithiumatom forlader katoden til anoden, en elektron er fanget fra et overgangsmetalatom. Disse elektroner skaber den elektriske strøm og spænding, der er nødvendig for at oplade materialet.

Men noget andet sker i lithium-rige batterier.

"Et usædvanligt træk ved lithiumrige katoder er, at elektronen kommer fra ilten snarere end overgangsmetallet, " siger Michael Toney, en fremtrædende stabsvidenskabsmand ved SLAC og medforfatter til papiret. "Denne proces, kaldet iltoxidation, gør det muligt for katoder at udvinde omkring 90 procent af lithiumet ved en høj nok spænding til, at det booster energien, der er lagret i batteriet."

Falde fra hinanden

Men forestil dig i svamprelæet, at med hver efterfølgende sug, svampens struktur ændres:fibrene stivner og bundter sammen, æder det tomme rum op, der gør materialet så effektivt til at absorbere vand. Iltoxidation gør noget lignende. Forfatternes tidligere undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , viste, at hver gang lithium-ioner cykler ud af katoden ind i anoden, nogle overgangsmetalatomer sniger sig ind for at tage deres plads, og katodens atomare struktur bliver lidt mere rodet. Den lagdelte struktur, der er afgørende for katodens ydeevne, falder langsomt fra hinanden, sænker dens spænding og kapacitet.

I denne nye undersøgelse, forskerne viste, at det skyldes, at det at trække elektronen fra oxygen giver den lyst til at danne en anden binding, og overgangsmetalatomer skal bevæge sig rundt for at rumme den binding, ændring af atomstrukturen.

"Dette er det første papir, der giver en komplet model om, hvorfor disse ting hænger sammen, og hvor mange af de litiumrige katodes usædvanlige egenskaber kommer fra, " siger Jihyun Hong, en Stanford og SLAC postdoc, nu ved Korea Institute of Science and Technology (KIST).

Udnyttelse af effekten

Toney siger, at det tog kombinationen af ​​teori og mange eksperimentelle metoder, udført hos SLAC's Stanford Synchrotron Light Source (SSRL) samt Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) og Molecular Foundry, at udrede dette komplicerede problem.

Denne kombination gav teamet mulighed for endegyldigt at demonstrere den stærke drivkraft bag ændringer i katodens bindingskonfiguration under oxygenoxidation. Det næste skridt, Toney siger, er at finde måder at frembringe disse ændringer uden totalt at forstyrre katodens krystalstruktur.

"Fordi oxygenoxidation giver anledning til ekstra energitæthed, at være i stand til at forstå og kontrollere det er potentielt en game changer i elektriske køretøjer, " siger William Chueh, assisterende professor i materialevidenskab ved Stanford, som var med til at lede undersøgelsen. "Indtil nu, fremskridt på dette område har stort set været trinvis, med forbedringer på kun få procent om året. Hvis vi kan finde en måde at få dette til at fungere, det ville være et stort skridt fremad i at gøre denne teknologi praktisk."