Katodefejl forbedrer batteriets ydeevne

Ingeniører stræber efter at designe smartphones med længerevarende batterier, elbiler, der kan køre flere hundrede kilometer på en enkelt opladning, og et pålideligt elnet, der kan lagre vedvarende energi til fremtidig brug. Hver af disse teknologier er inden for rækkevidde – dvs. hvis videnskabsmænd kan bygge bedre katodematerialer.

Til dato, den typiske strategi for at forbedre katodematerialer har været at ændre deres kemiske sammensætning. Men nu, kemikere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory har gjort en ny opdagelse om batteriydelse, der peger på en anden strategi til optimering af katodematerialer. Deres forskning, udgivet i Materialernes kemi og med i ACS Editors' Choice , fokuserer på at kontrollere mængden af ​​strukturelle defekter i katodematerialet.

"I stedet for at ændre den kemiske sammensætning af katoden, vi kan ændre arrangementet af dets atomer, " sagde den tilsvarende forfatter Peter Khalifah, en kemiker ved Brookhaven Lab og Stony Brook University.

I dag, de fleste katodematerialer består af vekslende lag af lithiumioner og overgangsmetaller, såsom nikkel. Inden for den lagdelte struktur, et lille antal defekter kan normalt findes. Det betyder, at atomer fra et overgangsmetal kan findes, hvor en lithium-ion formodes at være og omvendt.

"Du kan tænke på en defekt som en 'fejl' i perfektion af materialets struktur, " sagde Khalifah. "Det er kendt, at mange defekter vil føre til dårlig batteriydelse, men det, vi er kommet for at lære, er, at et lille antal defekter faktisk burde forbedre nøgleegenskaber."

Khalifah siger, at der er to egenskaber, som et godt katodemateriale vil have:ionisk ledningsevne (lithiumionerne kan bevæge sig godt) og elektronisk ledningsevne (elektronerne kan bevæge sig godt).

"Tilstedeværelsen af ​​en defekt er som at stikke et hul mellem lithiumion- og overgangsmetallagene i katoden, " sagde han. "I stedet for at være begrænset til to dimensioner, lithiumionerne og elektronerne kan bevæge sig i tre dimensioner på tværs af lagene."

For at drage denne konklusion, forskerne havde brug for at udføre højpræcisionseksperimenter, der målte koncentrationen af ​​defekter i et katodemateriale med langt større nøjagtighed end nogensinde før.

"Koncentrationen af ​​defekter i et katodemateriale kan variere mellem to og fem procent, " sagde Khalifah. "Før, defekter kunne kun måles med en følsomhed på omkring én procent. I dette studie, vi målte defektkoncentrationen med udsøgt nøjagtighed - en følsomhed på en tiendedel af en procent."

For at opnå denne præcision, forskerne udførte pulverdiffraktionsanalyser ved hjælp af data fra to DOE Office of Science brugerfaciliteter, den avancerede fotonkilde (APS) ved DOE's Argonne National Laboratory og Spallation Neutron Source (SNS) ved DOE's Oak Ridge National Laboratory.

Pulverdiffraktion er en kraftfuld forskningsteknik, der afslører placeringen af ​​individuelle atomer i et materiale ved at rette stråler af røntgenstråler, neutroner, eller elektroner ved materialet og studerer, hvordan strålerne diffrakterer. I dette studie, forskerne udførte røntgenmålinger ved APS og neutronmålinger ved SNS.

"Dette arbejde har udviklet en ny måde at visualisere strukturelle defekter og deres forhold til diffraktion og spredningsstyrke, sagde Saul Lapidus, en fysiker i røntgenvidenskabsafdelingen ved APS. "Jeg forventer i fremtiden, at denne teknik vil blive brugt almindeligt i batterisamfundet for at forstå defekter og strukturelle karakteriseringer af katodematerialer."

Khalifah tilføjede, "evnen til at måle koncentrationen af ​​svagt spredte elementer med en følsomhed på en tiendedel af en procent vil også være nyttig for mange andre forskningsområder, såsom måling af ilt ledige pladser i superledende materialer eller katalysatorer."

Med så nøjagtige målinger af fejlkoncentrationer, forskerne kunne derefter studere forholdet mellem defekter og katodematerialekemi.

Ultimativt, de udviklede en "opskrift" til at opnå enhver defektkoncentration, hvilken, i fremtiden, kunne guide videnskabsmænd til at syntetisere katoder fra mere overkommelige og miljøvenlige materialer og derefter justere deres defektkoncentrationer for optimal batteriydelse.