Enkeltkrystalteknologi holder løfte om næste generations lithium-ion-batterier

En lovende teknologi under udvikling af store batteriproducenter er blevet endnu mere attraktiv, tak til forskere, der har set et hidtil uset kig på en vigtig barriere for bedre, længerevarende lithium-ion-batterier.

Forskere ved U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory rapporterer om nye fund om, hvordan man laver en enkeltkrystal, nikkelrig katode hårdere og mere effektiv. Holdets arbejde med katoden, en kritisk komponent i de lithium-ion-batterier, der er almindelige i elektriske køretøjer i dag, fremgår af bladet 11. december Videnskab .

Forskere rundt om i verden arbejder på at skabe batterier, der leverer mere energi, holder længere og er billigere at producere. Forbedrede lithium-ion-batterier er afgørende for en bredere anvendelse af elektriske køretøjer.

Udfordringerne er masser. Et batteris enkle udseende modvirker dets kompleksitet, og styring af de komplekse molekylære interaktioner inden for er afgørende for, at enheden fungerer korrekt. Konstante kemiske reaktioner tager deres vejafgang, begrænse, hvor længe et batteri holder og påvirke dets størrelse, omkostninger og andre faktorer.

Løftet om en nikkelrig katode:Mere energikapacitet

Forskere arbejder på måder at lagre mere energi i katodematerialerne ved at øge nikkelindholdet. Nikkel er på tegnebrættet for lithium-ion-batteriproducenter hovedsagelig på grund af dets relativt lave omkostninger, bred tilgængelighed og lav toksicitet sammenlignet med andre centrale batterimaterialer, såsom kobolt.

"Nikkelrige katodematerialer har reelt potentiale til at lagre mere energi, "sagde Jie Xiao, tilsvarende forfatter til papiret og gruppeleder for PNNL's batteriforskningsprogram. "Men stor indsats har været en udfordring."

Mens nikkel har et stort løfte, i store mængder kan det give problemer i batterier. Jo mere nikkel i materialets gitter, desto mindre stabil er katoden. Højt nikkelindhold kan øge uønskede bivirkninger, beskadige materialet og gøre opbevaring og håndtering meget vanskelig.

At udnytte alle fordelene ved mere nikkel og samtidig minimere ulemperne udgør en udfordring.

I øjeblikket er den mest almindelige nikkelrige katode i form af polykrystaller-aggregater af mange nanokrystaller i en større partikel. Disse har fordele ved at lagre og aflade energi hurtigere. Men polykrystaller bryder nogle gange sammen under gentagen cykling. Dette kan efterlade meget af overfladearealet udsat for elektrolyt, accelerere uønskede kemiske reaktioner forårsaget af højt nikkelindhold og generering af gas. Denne irreversible skade resulterer i et batteri med en nikkelrig katode, der svigter hurtigere og rejser sikkerhedsproblemer.

Af enkeltkrystaller, isterninger og lithium-ion-batterier

Forskere som Xiao forsøger at omgå mange af disse problemer ved at oprette en enkeltkrystal, nikkelrig katode. PNNL-forskerne udviklede en proces til at dyrke højtydende krystaller i smeltede salte-natriumchlorid, almindeligt bordsalt - ved høj temperatur.

Hvad er fordelen ved en enkelt krystal i forhold til et polykrystallinsk materiale? Tænk på at holde din mad kølig, mens du er på camping. En fast isblok smelter meget langsommere end den samme mængde is, der kommer i små terninger; isblokken er mere modstandsdygtig over for skader som følge af højere temperaturer og andre ydre kræfter.

Det ligner nikkelrige katoder:Et aggregat af små krystaller er meget mere sårbart over for omgivelserne end en enkelt krystal under visse betingelser, især når der er et højt nikkelindhold, da nikkel er tilbøjelig til at fremkalde uønskede kemiske reaktioner. Over tid, med gentagne battericyklusser, aggregaterne pulveriseres i sidste ende, ødelægger katodens struktur. Det er ikke så meget et problem, når mængden af ​​nikkel i katoden er lavere; under sådanne forhold, en polykrystallinsk katode indeholdende nikkel giver høj effekt og stabilitet. Problemet bliver mere udtalt, selvom, når forskere opretter en katode med mere nikkel - en katode, der virkelig er rig på nikkel.

Katodens mikrosprækker er reversible, forebygges

PNNL-teamet opdagede en grund til, at en enkeltkrystal, nikkelrig katode bryder sammen:Det skyldes en proces kendt som krystalglidning, hvor en krystal begynder at bryde fra hinanden, fører til mikrosprækker. De fandt ud af, at svæveflyvningen er delvist reversibel under visse betingelser og har foreslået måder at undgå skaden helt.

"Med den nye grundlæggende forståelse, vi vil være i stand til at forhindre glidning og mikrosprækker i den enkelte krystal. Dette er i modsætning til skaden i den polykrystallinske form, hvor partiklerne pulveriseres i en proces, der ikke er reversibel, "sagde Xiao.

Det viser sig, at glidende bevægelser inden i krystalets gitterlag er roden til mikrosprækker. Lagene bevæger sig frem og tilbage, som kort i et kort, når de blandes. Glidningen sker, når batteriet oplades og aflades - lithiumioner afgår og vender tilbage til katoden, belaster krystallen så lidt hver gang. Over mange cykler, den gentagne glidning resulterer i mikrosprækker.

Xiaos team lærte, at processen delvist kan vende sig selv gennem de naturlige virkninger af lithiumatomerne, som skaber spændinger i en retning, når ionerne kommer ind i krystalgitteret og i den modsatte retning, når de forlader. Men de to handlinger annullerer ikke hinanden fuldstændigt, og over tid, mikrosprækker vil forekomme. Derfor mislykkes enkeltkrystaller i sidste ende, selvom de ikke nedbrydes i små partikler som deres polykrystallinske modstykker.

Teamet forfølger flere strategier for at forhindre glidning. Forskerne har opdaget, at drift af batteriet ved en fælles spænding-omkring 4,2 volt-minimerer skader, mens det stadig er inden for det normale område af lithium-ion-batterier til elektriske køretøjer. Teamet forudser også, at hvis man holder størrelsen på en enkelt krystal under 3,5 mikron, kan man undgå skader selv ved højere spændinger. Og teamet undersøger måder at stabilisere krystalgitteret for bedre at kunne rumme ankomst og afgang af lithiumioner.

Teamet vurderer, at single-crystal, nikkelrig katode pakker mindst 25 procent mere energi i forhold til de lithium-ion-batterier, der bruges i nutidens elbiler.

Nu, PNNL -forskere under ledelse af Xiao arbejder med Albemarle Corporation, en stor specialiseret kemisk fremstillingsvirksomhed og en af ​​verdens førende producenter af lithium til elektriske bilbatterier. I et samarbejde finansieret af DOE, teamet vil undersøge virkningerne af avancerede lithiumsalte på ydelsen af ​​enkeltkrystal nikkelrige katodematerialer ved at demonstrere processen i kilogramskala.