At finde årsagen til kapacitetstab i et metaloxid-batterimateriale

På grund af deres høje energilagringstæthed, materialer såsom metaloxider, sulfider, og fluorider er lovende elektrodematerialer til lithium-ion-batterier i elektriske køretøjer og andre teknologier. Imidlertid, deres kapacitet svinder meget hurtigt. Nu, forskere, der studerer en elektrode lavet af et billigt og ikke-toksisk jernoxidmateriale kaldet magnetit, har foreslået et scenarie – beskrevet i onlineudgaven den 20. maj af Naturkommunikation - det forklarer hvorfor.

"Magnetit, blandt andre elektrodematerialer af konverteringstype (dvs. materialer, der bliver omdannet til helt nye produkter, når de reagerer med lithium), kan lagre mere energi end nutidens elektrodematerialer, fordi de kan rumme flere lithiumioner, " sagde studieleder Dong Su, leder af Electron Microscopy Group på Center for Functional Nanomaterials (CFN) —en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility på Brookhaven National Laboratory. "Imidlertid, kapaciteten af ​​disse materialer nedbrydes meget hurtigt og er afhængig af strømtætheden. For eksempel, vores elektrokemiske test af magnetit afslørede, at dets kapacitet falder meget hurtigt inden for de første 10 højhastigheds- og afladningscyklusser. "

For at finde ud af, hvad der ligger bag denne dårlige cykelstabilitet, videnskabsmændene karakteriserede, hvordan magnetittens krystalstruktur og kemiske natur udviklede sig, efterhånden som batteriet gennemførte 100 cyklusser. Til disse karakteriseringsundersøgelser, de kombinerede transmissionselektronmikroskopi (TEM) ved CFN og synkrotron røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) ved Advanced Photon Source (APS) - en DOE Office of Science User Facility ved Argonne National Lab. I TEM, en elektronstråle transmitteres gennem en prøve for at frembringe et billede eller et diffraktionsmønster, der er karakteristisk for materialets struktur; XAS bruger i stedet en røntgenstråle til at undersøge materialets kemi.

Ved at bruge disse teknikker, forskerne opdagede, at magnetit fuldstændig nedbrydes til metalliske jernnanopartikler og lithiumoxid under den første udledning. I den følgende anklage, denne omdannelsesreaktion er ikke fuldstændig reversibel - rester af metallisk jern og lithiumoxid forbliver. I øvrigt, den oprindelige "spinel" struktur af magnetit udvikler sig til en "rocksalt" struktur (placeringen af ​​jernatomer er ikke helt identisk i de to strukturer) i ladet tilstand. Med efterfølgende opladnings- og afladningscyklusser, sten-salt jernoxid interagerer med lithium for at danne en komposit af lithiumoxid og metalliske jernnanopartikler. Fordi omdannelsesreaktionen ikke er fuldt reversibel, disse restprodukter ophobes. Forskerne fandt også ud af, at elektrolytten (det kemiske medium, der gør det muligt for lithiumioner at strømme mellem de to elektroder), nedbrydes i senere cyklusser.

"Vores TEM-studier i realtid i ultrahøjt vakuum gjorde det muligt for os at se, hvordan strukturen af ​​stensaltjernoxid ændres, når lithium introduceres efter de indledende cyklusser, " sagde Su. "Denne undersøgelse repræsenterer entydigt in situ lithiation af en forcyklet prøve. Tidligere in situ -undersøgelser kiggede kun på de indledende ladnings- og udladningscyklusser. Imidlertid, vi har brug for at vide, hvad der sker over mange cyklusser for at designe batterier, der holder længere, fordi strukturen ved den ladede elektrode er forskellig fra den uberørte tilstand. "

På baggrund af deres resultater, forskerne foreslog en forklaring på kapacitetsfaldet.

"Fordi lithiumoxid har en lav elektronisk ledningsevne, dens ophobning skaber en barriere for elektronerne, der pendler frem og tilbage mellem batteriets positive og negative elektrode, "forklarede medledende forfatter Sooyeon Hwang, en personaleforsker i CFN Electron Microscopy Group. "Vi kalder denne barriere et internt passiveringslag. Tilsvarende elektrolytisk nedbrydning hindrer ionisk ledning ved at danne et overfladepassiveringslag. Denne opbygning af forhindringer blokerer elektroner og lithiumioner i at nå aktive elektrodematerialer, hvor de elektrokemiske reaktioner opstår."

Forskerne bemærkede, at drift af batteriet ved lav strøm kan genvinde noget af denne kapacitet ved at sænke opladningshastigheden for at give tilstrækkelig tid til elektrontransport; imidlertid, andre løsninger er nødvendige for i sidste ende at løse problemet. De mener, at tilføjelse af andre elementer til elektrodematerialet og ændring af elektrolytten kan forbedre kapacitetsfading.

"Den viden, vi fik, kan generelt anvendes på andre omdannelsesforbindelser, som også står over for det samme problem med interne og eksterne passiveringslag, " sagde medkorresponderende forfatter Zhongwei Chen, professor ved University of Waterloo, Canada. "Vi håber, at denne undersøgelse kan hjælpe med at guide fremtidig grundlæggende forskning om disse lovende elektrodematerialer af konverteringstype."