Forhindring af iltfrigivelse fører til sikrere batterier med høj energitæthed

En forskergruppe har frembragt frisk indsigt om frigivelsen af ​​ilt i lithium-ion-batterier, baner vejen for mere robuste og sikrere batterier med høj energitæthed.

Næste generations batterier, der lagrer mere energi, er afgørende, hvis samfundet skal nå FN's mål for bæredygtig udvikling og realisere CO2-neutralitet. Imidlertid, jo højere energitæthed, jo højere er sandsynligheden for termisk løbsk - overophedning af batterier, der nogle gange kan resultere i, at et batteri eksploderer.

Ilt frigivet fra katodeaktivt materiale er en udløser for termisk flugt, alligevel er vores viden om denne proces utilstrækkelig.

Forskere fra Tohoku University og Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) undersøgte iltfrigivelsesadfærden og relaterede strukturelle ændringer af katodemateriale til lithium-ion-batterier LiNi _1/3 Co _1/3 Mn _1/3 O ₂ (NCM111). NCM111 fungerede som et model oxidbaseret batterimateriale gennem coulometrisk titrering og røntgendiffraktioner.

Forskerne opdagede, at NCM111 accepterer 5 mol% iltfrigivelse uden at nedbrydes, og at iltfrigivelse inducerede strukturelle forstyrrelser, udveksling af Li og Ni.

Når der frigives ilt, det reducerer overgangsmetallerne (Ni, Co og Mn i NCM111), mindske deres evne til at holde en afbalanceret ladning i materialerne.

For at vurdere dette, forskergruppen brugte blød røntgenabsorptionsspektroskopi på BL27SU SPring-8 - et JASRI-drevet storskala synkrotronstrålingsanlæg i Japan.

De observerede selektiv Ni ³⁺ reduktion i NCM111 i begyndelsen af ​​iltfrigivelsen. Efter at Ni-reduktionen var afsluttet, Co ³⁺ er faldet, mens Mn ⁴⁺ forblev invariant under 5 mol% iltfrigivelse.

"Reduktionsadfærden tyder stærkt på, at høj valent NI (Ni ³⁺ ) øger iltfrigivelsen betydeligt, " sagde Takashi Nakamura, medforfatter til papiret.

For at teste denne hypotese, Nakamura og hans kolleger forberedte modificeret NCM111 indeholdende mere Ni ³⁺ end den originale NCM111. Til deres overraskelse, de opdagede, at NCM111 udviste meget alvorligere iltfrigivelse end forventet.

Baseret på dette, forskergruppen foreslog, at de højvalente overgangsmetaller destabiliserer gitterilten i oxidbaserede batterimaterialer.

"Vores resultater vil bidrage til den videre udvikling af høj energitæthed og robuste næste generations batterier sammensat af overgangsmetaloxider, " sagde Nakamura.