Forskere opdager en ny tilgang til stabilisering af katodematerialer

Et team af forskere ledet af kemikere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har undersøgt en undvigende egenskab i katodematerialer, kaldet en valensgradient, at forstå dens virkning på batteriets ydeevne. Fundene, udgivet i Naturkommunikation , demonstreret, at valensgradienten kan tjene som en ny tilgang til stabilisering af strukturen af ​​katoder med højt nikkelindhold mod nedbrydning og sikkerhedsspørgsmål.

Katoder med højt nikkelindhold har fanget forskernes opmærksomhed på grund af deres høje kapacitet, en kemisk egenskab, der kunne drive elektriske køretøjer over meget længere afstande, end nuværende batterier understøtter. Desværre, det høje nikkelindhold får også disse katodematerialer til at nedbrydes hurtigere, skaber revner og stabilitetsproblemer, når batteriet cykler.

På jagt efter løsninger på disse strukturelle problemer, forskere har syntetiseret materialer fremstillet med en nikkelkoncentrationsgradient, hvor koncentrationen af ​​nikkel gradvist ændres fra overfladen af ​​materialet til dets centrum, eller hovedparten. Disse materialer har udvist stærkt forbedret stabilitet, men forskere har ikke været i stand til at afgøre, om koncentrationsgradienten alene var ansvarlig for forbedringerne. Koncentrationsgradienten har traditionelt været uadskillelig fra en anden effekt kaldet valensgradienten, eller en gradvis ændring i nikkels oxidationstilstand fra overfladen af ​​materialet til massen.

I den nye undersøgelse ledet af Brookhaven Lab, kemikere ved DOE's Argonne National Laboratory syntetiserede et unikt materiale, der isolerede valensgradienten fra koncentrationsgradienten.

"Vi brugte et meget unikt materiale, der inkluderede en nikkelvalensgradient uden en nikkelkoncentrationsgradient, "sagde Brookhaven -kemiker Ruoqian Lin, første forfatter til undersøgelsen. "Koncentrationen af ​​alle tre overgangsmetaller i katodematerialet var den samme fra overfladen til massen, men oxidationstilstanden for nikkel ændrede sig. Vi opnåede disse egenskaber ved at kontrollere materialets atmosfære og kalcineringstid under syntese. Med tilstrækkelig kalcineringstid, den stærkere bindingsstyrke mellem mangan og ilt fremmer bevægelsen af ​​ilt ind i materialets kerne og bevarer en Ni2+ oxidationstilstand for nikkel ved overfladen, danner valensgradienten. "

Når kemikerne med succes syntetiserede et materiale med en isoleret valensgradient, Brookhaven-forskerne studerede derefter dens ydeevne ved hjælp af to DOE Office of Science-brugerfaciliteter på Brookhaven Lab-National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) og Center for Functional Nanomaterials (CFN).

På NSLS-II, en ultralet røntgen lyskilde, teamet udnyttede to banebrydende eksperimentelle stationer, Hard X-ray Nanoprobe (HXN) beamline og Full Field X-ray Imaging (FXI) beamline. Ved at kombinere begge stråleliniers muligheder, forskerne var i stand til at visualisere atomskalaens struktur og kemiske sammensætning af deres prøve i 3D, efter at batteriet havde været i gang i flere cyklusser.

"Begge strålelinjer har verdensførende muligheder. Du kan ikke foretage denne forskning andre steder, "sagde Yong Chu, leder af billeddannelses- og mikroskopiprogrammet på NSLS-II og lead beamline-videnskabsmand ved HXN. "FXI er den hurtigste nanoskala beamline i verden; den er cirka ti gange hurtigere end nogen anden konkurrent. HXN er meget langsommere, men det er meget mere følsomt-det er den højeste opløsning af røntgenbilleder i verden. "

HXN beamline -videnskabsmand Xiaojing Huang tilføjede, "På HXN, vi kører rutinemæssigt målinger i multimodalitetstilstand, hvilket betyder, at vi indsamler flere signaler samtidigt. I dette studie, vi brugte et fluorescenssignal og et fytografisignal til at rekonstruere en 3D -model af prøven på nanoskalaen. Florescens -kanalen gav elementarfordelingen, bekræfter prøvens sammensætning og ensartethed. Fytografikanalen leverede strukturoplysninger i høj opløsning, afslører eventuelle mikrosprækker i prøven. "

I mellemtiden på FXI, "strålelinjen viste, hvordan valensgradienten eksisterede i dette materiale. Og fordi vi udførte billedbehandling i fuld frame med en meget høj dataindsamlingshastighed, vi var i stand til at studere mange regioner og øge undersøgelsens statistiske pålidelighed, "Sagde Lin.

På CFN Electron Microscopy Facility, forskerne brugte et avanceret transmissionselektronmikroskop (TEM) til at visualisere prøven med ultrahøj opløsning. Sammenlignet med røntgenundersøgelserne, TEM kan kun undersøge et meget mindre område af prøven og er derfor mindre statistisk pålideligt i hele prøven, men til gengæld, dataene er langt mere detaljerede og visuelt intuitive.

Ved at kombinere de indsamlede data på tværs af alle de forskellige faciliteter, forskerne var i stand til at bekræfte, at valensgradienten spillede en afgørende rolle i batteriets ydeevne. Valensgradienten "skjulte" de mere kapacitive, men mindre stabile nikkelområder i midten af ​​materialet, eksponerer kun det mere strukturelt solide nikkel ved overfladen. Dette vigtige arrangement undertrykte dannelsen af ​​revner.

Forskerne siger, at dette arbejde fremhæver den positive indvirkningskoncentration, gradientmaterialer kan have på batteriets ydeevne, mens de tilbyder en ny, komplementær tilgang til stabilisering af katodematerialer med højt nikkelindhold gennem valensgradienten.

"Disse fund giver os meget vigtig vejledning til fremtidig ny materialesyntese og design af katodematerialer, som vi vil anvende i vores studier fremover, "Sagde Lin.