Forskere bruger en ny metode til at lave lovende batterimateriale

Opladning og afladning af en battericelle forvandler dens elektrodemateriale til et "super" materiale.

I løbet af det sidste årti har fremskridt inden for forskning og udvikling ført til mere effektive lithium-ion-batterier. Alligevel er der stadig betydelige mangler. En udfordring er behovet for hurtigere opladning, som kan hjælpe med at fremskynde adoptionen af ​​elektriske køretøjer.

Et forskerhold ledet af Boise State University og University of California San Diego har taget en ukonventionel tilgang til dette problem. Ved at bruge ressourcerne fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory skabte de et højtydende materiale til batterielektroder. Forbindelsen, niobiumpentoxid, har en ny krystallinsk struktur. Det viser løfte om at fremskynde opladningen, samtidig med at den giver fremragende lagerkapacitet.

Holdets undersøgelse blev offentliggjort i Nature Materials i maj 2022.

Under opladning bevæger lithiumioner sig fra den positive elektrode (katode) til den negative elektrode (anode), almindeligvis lavet af grafit. Ved højere opladningshastigheder har lithiummetal en tendens til at samle sig på grafittens overflade. Denne effekt, kendt som plettering, har en tendens til at forringe ydeevnen og kan få batterier til at kortslutte, overophedes og antænde.

Niobiumpentoxid er meget mindre modtagelig for plettering, hvilket potentielt gør det sikrere og mere holdbart end grafit. Derudover kan dens atomer arrangeres i mange forskellige stabile konfigurationer, som ikke kræver meget energi at omkonfigurere. Dette giver forskere muligheder for at opdage nye strukturer, der kan forbedre batteriets ydeevne.

Til denne undersøgelse byggede forskerne en møntcelle med niobiumpentoxid som elektrodemateriale. (En møntcelle, også kendt som en knapcelle, er en lille, cirkulær batterienhed.) Niobiumpentoxidet havde en amorf struktur - med andre ord et uordnet arrangement af atomer. Når cellen blev opladet og afladet adskillige gange, transformerede den uordnede struktur sig til en ordnet, krystallinsk. Denne særlige struktur var aldrig tidligere blevet rapporteret i den videnskabelige litteratur.

Sammenlignet med det uordnede arrangement muliggjorde den krystallinske struktur lettere og hurtigere transport af lithiumioner ind i anoden under opladning. Dette fund peger på materialets løfte om hurtig opladning, og andre målinger tyder på, at det kan opbevare en stor mængde ladning.

Argonne tilbyder flere komplementære værktøjer

På grund af de komplekse ændringer under opladnings-afladningscyklussen var der behov for flere komplementære diagnostiske værktøjer til en omfattende forståelse. Det var her, Argonne – og et par DOE Office of Science brugerfaciliteter på laboratoriet – kom ind.

Yuzi Liu, en videnskabsmand i Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), brugte en teknik kaldet transmissionselektronmikroskopi til at verificere den strukturelle transformation fra amorf til krystallinsk. Denne teknik sender højenergi-elektronstråler gennem en materialeprøve. Det skaber digitale billeder baseret på elektronernes interaktion med prøven. Billederne viser, hvordan atomer er arrangeret.

"Da elektronstrålen er fokuseret på et lille område af prøven, giver teknikken detaljerede oplysninger om det pågældende område," sagde Liu.

Hua Zhou, en fysiker i Argonne's Advanced Photon Source (APS), bekræftede den strukturelle ændring med en anden teknik kendt som synkrotron røntgendiffraktion. Dette involverer at ramme prøven med højenergi røntgenstråler, som er spredt af elektronerne fra atomerne i materialet. En detektor måler denne spredning for at karakterisere materialets struktur.

Røntgendiffraktion er effektiv til at give information om overordnede strukturelle ændringer på tværs af en hel materialeprøve. Dette kan være nyttigt til at studere batterielektrodematerialer, fordi deres strukturer har tendens til at variere fra et område til et andet.

"Ved at ramme anodematerialet med røntgenstråler i forskellige vinkler bekræftede jeg, at det var ensartet krystallinsk langs overfladen og i det indre," sagde Zhou.

Forskningen trak også på andre Argonne-evner til at karakterisere materialer. Justin Connell, en materialeforsker i Argonne's Electrochemical Discovery Laboratory, brugte et værktøj kaldet røntgenfotoelektronspektroskopi til at evaluere anodematerialet. Connell skød røntgenstråler ind i anoden og udstødte elektroner fra den med en vis energi.

"Teknikken afslørede, at niobiumatomer får flere elektroner, når cellen oplades," sagde Connell. "Dette tyder på, at anoden har en høj lagerkapacitet."

Argonne-fysiker Sungsik Lee vurderede også niobs forstærkning og tab af elektroner. Han brugte en anden teknik kaldet røntgenabsorptionsspektroskopi. Dette involverede at ramme anodematerialet med intense synkrotron røntgenstråler og måle transmissionen og absorptionen af ​​røntgenstrålerne i materialet.

"Teknikken gav et samlet billede af elektronernes tilstand på tværs af hele anoden," sagde Lee. "Dette bekræftede, at niobium får flere elektroner."

Argonne er usædvanlig, idet den har alle disse forskningskapaciteter på sit campus. Claire Xiong, undersøgelsens ledende efterforsker, lavede sin postdoktorale forskning ved Argonne's CNM, før hun kom til Boise State-fakultetet som materialeforsker. Hun var ganske fortrolig med Argonnes omfattende kapaciteter og havde tidligere samarbejdet med Argonne-forskerne, som bidrog til undersøgelsen.

"Faciliteterne og personalet på Argonne er i verdensklasse," sagde Xiong. "Dette arbejde med at opdage den unikke transformation i niobiumpentoxid havde stor gavn af samarbejdet med Argonne-forskere. Det har også nydt godt af adgangen til APS, Electrochemical Discovery Laboratory og CNM."

Det er meget vanskeligt at fremstille det højtydende, krystallinske niobiumpentoxid med traditionelle syntesemetoder, såsom dem, der udsætter materialer for varme og tryk. Den ukonventionelle syntesetilgang, der blev brugt med succes i denne undersøgelse - opladning og afladning af en battericelle - kunne anvendes til at fremstille andre innovative batterimaterialer. Det kunne potentielt endda understøtte fremstilling af nye materialer på andre områder, såsom halvledere og katalysatorer. + Udforsk yderligere

Forskere opdager en innovativ tilgang til fremstilling af nye lithium-ion-batterimaterialer