Skjult årsag til lithium-rige katodematerialer lav energieffektivitet afsløret

Et forskerhold bestående af National Institute for Materials Science (NIMS) og SoftBank Corp. har fundet ud af, at spændingshysterese i Li₂ RuO₃ — et genopladeligt batterikatodemateriale med høj energidensitet — er forårsaget af forskelle i de mellemliggende krystallinske faser, der dannes under opladnings- og afladningsprocesser. Undersøgelsen er publiceret i Energy Storage Materials .

Spændingshysterese er et fænomen, der er skadeligt for lithium (Li)-ion-batterier, hvor afladningsspændingen bliver væsentligt lavere end ladespændingen. Disse resultater afslørede en spændingshysterese-fremkaldende mekanisme, der ikke var i overensstemmelse med konventionel teori.

Li-rige elektrodematerialer er i stand til at lagre større mængder Li-ioner end konventionelle Li-ion batteri katodematerialer (f.eks. LiCoO₂ ), og Li-ioner kan udvindes stabilt fra og indsættes i dem. Derudover er energikapaciteten af ​​disse materialer (> 300 mAh/g) ca. dobbelt så stor som for konventionelle katodematerialer.

På grund af disse ønskværdige egenskaber er Li-rige elektrodematerialer blevet undersøgt som levedygtige kandidater til næste generations, højenergi-densitet Li-ion batteri katode materialer. De har dog også en ulempe:Dårlig opladnings-/afladningsenergieffektivitet på grund af stor spændingshysterese, der opstår under opladning og afladning.

Det er blevet bredt accepteret af det videnskabelige samfund, at spændingshysterese i Li-rige elektrodematerialer skyldes irreversible ændringer i deres krystallinske strukturer under opladning og afladning. Dette forskerhold fokuserede på Li₂ RuO₃ som et model Li-rigt elektrodemateriale og nøje observerede ændringer i dets krystallinske struktur, mens det blev opladet og afladet.

Dens krystallinske struktur viste sig at ændre sig reversibelt, ikke irreversibelt - den genfandt sin oprindelige præ-opladning krystallinske struktur ved slutningen af ​​den efterfølgende udledning. Under denne opladnings-/afladningscyklus blev der observeret spændingshysterese i Li₂ RuO₃ på trods af fraværet af irreversible krystallinske strukturændringer - et resultat i modstrid med konventionel teori.

Holdet analyserede derefter krystallinske strukturændringer i en Li₂ RuO₃ elektrode, mens den blev opladet og afladet ved hjælp af forskellige avancerede analyseinstrumenter. Disse analyser afslørede en uoverensstemmelse i den mellemliggende krystalfase dannet under opladnings- og afladningsprocesserne, der forårsagede spændingshysteresen. Med andre ord synes spændingshysterese i et Li-rigt elektrodemateriale at være tilskrevet forskellige reaktionsveje snarere end irreversible krystallinske strukturændringer.

Baseret på disse resultater planlægger forskerholdet at evaluere Li-rige elektrodematerialer, mens de fokuserer på kemiske reaktionsveje under opladnings- og afladningscyklusser ud over at måle spændingshysterese. Denne tilgang forventes at fremskynde udviklingen af ​​Li-rige elektrodematerialer, der vil tilfredsstille både høj kapacitet og høje ladnings-/afladningsenergieffektivitetskrav.

Flere oplysninger: Marcela Calpa et al., Spændingshysterese skjult i en asymmetrisk reaktionsvej, Energy Storage Materials (2023). DOI:10.1016/j.ensm.2023.103051

Leveret af National Institute for Materials Science