Årsag til katodenedbrydning identificeret for nikkelrige materialer

Et team af forskere, herunder forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og SLAC National Accelerator Laboratory, har identificeret årsagerne til nedbrydning i et katodemateriale til lithium-ion-batterier, samt mulige retsmidler. Deres resultater, udgivet den 7. marts in Avancerede funktionelle materialer , kunne føre til udvikling af mere overkommelige og bedre ydende batterier til elbiler.

Søger efter højtydende katodematerialer

For at elektriske køretøjer kan levere den samme pålidelighed som gasbiler, har de brug for lette, men kraftfulde batterier. Lithium-ion-batterier er den mest almindelige type batteri, der findes i elektriske køretøjer i dag, men deres høje omkostninger og begrænsede levetider er begrænsninger for den udbredte anvendelse af elektriske køretøjer. For at overkomme disse udfordringer, forskere ved mange af DOE's nationale laboratorier forsker i måder at forbedre det traditionelle lithium-ion-batteri på.

Batterier er sammensat af en anode, en katode, og en elektrolyt, men mange videnskabsmænd anser katoden for at være den mest presserende udfordring. Forskere ved Brookhaven er en del af et DOE-sponsoreret konsortium kaldet Battery500, en gruppe, der arbejder på at tredoble energitætheden af ​​de batterier, der driver nutidens elbiler. Et af deres mål er at optimere en klasse af katodematerialer kaldet nikkelrige lagdelte materialer.

"Laglagsmaterialer er meget attraktive, fordi de er relativt nemme at syntetisere, men også fordi de har høj kapacitet og energitæthed, "sagde Brookhaven -kemiker Enyuan Hu, en forfatter til avisen.

Lithium-koboltoxid er et lagdelt materiale, der har været brugt som katode for lithium-ion-batterier i mange år. På trods af dens succesfulde anvendelse i små energilagringssystemer såsom bærbar elektronik, kobolts omkostninger og toksicitet er barrierer for materialets brug i større systemer. Nu, forskere undersøger, hvordan man kan erstatte kobolt med sikrere og mere overkommelige elementer uden at gå på kompromis med materialets ydeevne.

"Vi valgte et nikkelrigt lagdelt materiale, fordi nikkel er billigere og giftigt end kobolt, "Sagde Hu." Dog, problemet er, at nikkelrige lagdelte materialer begynder at nedbrydes efter flere opladnings-afladningscyklusser i et batteri. Vores mål er at finde årsagen til denne forringelse og levere mulige løsninger. "

Bestemmelse af årsagen til kapacitetsfading

Katodematerialer kan nedbrydes på flere måder. For nikkelrige materialer, problemet er hovedsagelig kapacitetsfading - en reduktion i batteriets opladnings-afladningskapacitet efter brug. For fuldt ud at forstå denne proces i deres nikkelrige lagdelte materialer, forskerne skulle bruge flere forskningsteknikker til at vurdere materialet fra forskellige vinkler.

"Dette er et meget komplekst materiale. Dens egenskaber kan ændre sig i forskellige længder under cykling, " sagde Hu. "Vi havde brug for at forstå, hvordan materialets struktur ændrede sig under ladning-afladningsprocessen både fysisk - på atomær skala op - og kemisk, som involverede flere elementer:nikkel, kobolt, mangan, ilt, og lithium."

For at gøre det, Hu og hans kolleger karakteriserede materialet på flere forskningsfaciliteter, inklusive to synkrotronlyskilder - National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ved Brookhaven og Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) ved SLAC. Begge er DOE Office of Science brugerfaciliteter.

"På enhver længdeskala i dette materiale, fra ångstrøm til nanometer og til mikrometer, der sker noget under batteriets opladnings-afladningsproces, " sagde medforfatter Eli Stavitski, beamline videnskabsmand ved NSLS-II's Inner Shell Spectroscopy (ISS) beamline. "Vi brugte en teknik kaldet X-ray absorption spectroscopy (XAS) her på ISS til at afsløre et atomart billede af miljøet omkring de aktive metalioner i materialet."

Resultater fra XAS-eksperimenterne på NSLS-II fik forskerne til at konkludere, at materialet havde en robust struktur, der ikke frigav ilt fra bulken, udfordrer tidligere overbevisninger. I stedet, forskerne identificerede, at belastningen og den lokale lidelse for det meste var forbundet med nikkel.

For at undersøge nærmere, teamet gennemførte transmissionsrøntgenmikroskopi (TXM) eksperimenter ved SSRL, kortlægning af alle de kemiske fordelinger i materialet. Denne teknik producerer et meget stort sæt data, så forskerne på SSRL anvendte maskinlæring til at sortere gennem dataene.

"Disse eksperimenter producerede en enorm mængde data, det er der, vores databidrag kom ind, " sagde medforfatter Yijin Liu, en SLAC stabsforsker. "Det ville ikke have været praktisk for mennesker at analysere alle disse data, så vi udviklede en machine learning -tilgang, der søgte gennem dataene og foretog vurderinger af, hvilke steder der var problematiske. Dette fortalte os, hvor vi skulle kigge, og guidede vores analyse. "

Hu sagde, "Den vigtigste konklusion, vi trak fra dette eksperiment, var, at der var betydelige inhomogeniteter i nikkelatomernes oxidationstilstande i hele partiklen. Noget nikkel i partiklen opretholdt en oxideret tilstand, og sandsynligvis deaktiveret, mens nikkel på overfladen blev irreversibelt reduceret, reducerer dens effektivitet."

Yderligere eksperimenter afslørede små revner dannet i materialets struktur.

"Under et batteris opladnings-afladningsproces, katodematerialet udvider sig og krymper, skabe stress, " sagde Hu. "Hvis den stress kan forløses hurtigt, forårsager det ikke et problem, men hvis det ikke kan frigives effektivt, så kan der opstå revner."

Forskerne mente, at de muligvis kunne afbøde dette problem ved at syntetisere et nyt materiale med en udhulet struktur. De testede og bekræftede denne teori eksperimentelt, samt gennem beregninger. Bevæger sig fremad, holdet planlægger at fortsætte med at udvikle og karakterisere nye materialer for at øge deres effektivitet.

"Vi arbejder i en udviklingscyklus, " sagde Stavitski. "Du udvikler materialet, så karakteriserer du det for at få indsigt i dets præstationer. Så går du tilbage til en syntetisk kemiker for at udvikle en avanceret materialestruktur, og så karakteriserer du det igen. Det er en vej til kontinuerlig forbedring. "

Derudover da NSLS-II fortsætter med at opbygge sine muligheder, forskerne planlægger at gennemføre mere avancerede TXM-eksperimenter på denne slags materialer, drage fordel af NSLS-II's ultrabright lys.