Ny belægning kan have store konsekvenser for litiumbatterier

At opbygge et bedre lithium-ion-batteri indebærer at adressere et utal af faktorer samtidigt, fra at holde batteriets katode elektrisk og ionisk ledende til at sikre, at batteriet forbliver sikkert efter mange cyklusser.

I en ny opdagelse, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har udviklet en ny katodebelægning ved hjælp af en oxidativ kemisk dampaflejringsteknik, der kan hjælpe med at løse disse og flere andre potentielle problemer med lithium-ion-batterier alt i et slag.

"Den belægning, vi har opdaget, rammer virkelig fem eller seks fugle med et smæk." Khalil Amine, Argonne fremtrædende kollega og batteriforsker.

I forskningen, Amine og hans medforskere tog partikler af Argonnes banebrydende nikkel-mangan-kobolt (NMC) katodemateriale og indkapslede dem med en svovlholdig polymer kaldet PEDOT. Denne polymer giver katoden et lag af beskyttelse mod batteriets elektrolyt, når batteriet oplades og aflades.

I modsætning til konventionelle belægninger, som kun beskytter den ydre overflade af de mikronstore katodepartikler og efterlader det indre sårbart over for revner, PEDOT -belægningen havde evnen til at trænge ind til katodepartikelens indre, tilføjelse af et ekstra lag afskærmning.

Ud over, Selvom PEDOT forhindrer den kemiske interaktion mellem batteriet og elektrolytten, det giver mulighed for den nødvendige transport af lithiumioner og elektroner, som batteriet kræver for at fungere.

"Denne belægning er i det væsentlige venlig over for alle de processer og kemi, der får batteriet til at fungere og uvenlig over for alle de potentielle reaktioner, der ville få batteriet til at forringes eller fungere forkert, "sagde Argonne -kemiker Guiliang Xu, forskningens første forfatter.

Belægningen forhindrer også stort set en anden reaktion, der får batteriets katode til at deaktivere. I denne reaktion, katodematerialet konverterer til en anden form kaldet spinel. "Kombinationen af ​​næsten ingen spineldannelse med dens andre egenskaber gør denne belægning til et meget spændende materiale, "Sagde Amine.

PEDOT -materialet demonstrerede også evnen til at forhindre iltfrigivelse, en vigtig faktor for nedbrydning af NMC katodematerialer ved højspænding. "Denne PEDOT -belægning viste sig også at kunne undertrykke iltfrigivelse under opladning, hvilket fører til bedre strukturel stabilitet og også forbedrer sikkerheden, "Sagde Amine.

Amine angav, at batteriforskere sandsynligvis kunne opskalere belægningen til brug i nikkelrige NMC-holdige batterier. "Denne polymer har eksisteret i et stykke tid, men vi var stadig overraskede over at se, at det har alle de opmuntrende virkninger, det gør, " han sagde.

Med belægningen påført, forskerne mener, at de NMC-holdige batterier enten kunne køre ved højere spændinger-og dermed øge deres energiproduktion-eller have længere levetid, eller begge.

For at udføre undersøgelsen, forskerne stolede på to DOE Office of Science -brugerfaciliteter i Argonne:Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanoscale Materials (CNM). In situ høj-energi røntgendiffraktionsmålinger blev udført ved beamline 11-ID-C i APS, og fokuseret ionstråle -litografi og transmissionselektronmikroskopi blev udført ved CNM.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Bygger ultrakonforme beskyttende lag på både sekundære og primære partikler af lagdelte lithiumovergangsmetaloxidkatoder, "dukkede op i den 13. maj online udgave af Naturenergi .