Selvforbedring af lithium-ion-batterier

(Phys.org)—Søgen efter ren og grøn energi i det 21. århundrede kræver en bedre og mere effektiv batteriteknologi. Nøglen til at nå dette mål kan ligge i at designe og bygge batterier ikke oppefra og ned, men fra bunden og op - begyndende på nanoskalaen. Et team af forskere fra Argonne National Laboratory og University of Chicago har taget en sådan tilgang ved at udvikle titaniumdioxid (TiO) ₂ ) elektroder, der faktisk kan forbedre deres egen elektrokemiske ydeevne, efterhånden som de bruges.

Forsøgslederne syntetiserede TiO ₂ nanorør og samlede dem til Li-ion møntceller, cyklede dem derefter galvanostatisk mellem 0,8 V og 2,0 V. Elektrodeprøver fra cellerne blev derefter undersøgt ved hjælp af røntgendiffraktion (XRD) ved GeoSoilEnvirioCARS 13-ID-D indsættelsesenhedens beamline og røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) ved X -ray Science Division 20-BM bøjningsmagnetstrålelinje, begge ved det amerikanske energiministeriums Advanced Photon Source i Argonne.

Ud over syntesen af ​​TiO ₂ nanorør, scanning elektronmikroskopi billeddannelse og molekylær dynamik simuleringer blev også udført på Argonne Center for Nanoscale Materials. Alle disse teknikker gav et vindue til inklusion og fjernelse af ioner (intercalation/deintercalation process), der forekommer i TiO ₂ nanorør.

Ved hjælp af den amorfe nanoskala TiO ₂ nanorør som en anode i lithium-halvceller, forskerne bemærkede en konsekvent lineær faldende spænding under den første udladning, efterfulgt af en "pukkel" ved ~1,1 V vs Li/Li+. Dette indikerede en irreversibel faseovergang i nanorørmaterialet.

I efterfølgende cyklusser, Li+ ioner interkaleret/deinterkaleret reversibelt i TiO ₂ nanorør med kapaciteter langt ud over dem, der observeres i andre TiO ₂ sorter såsom anatase.

Holdet konkluderede, at dette skyldes en anden struktur eller interkalationsmekanisme, der opstår som et resultat af faseovergangen. Sammenlignet med anatase, det fasetransformerede TiO ₂ nanorør anode viste stærkt forbedret Li-ion diffusion, især ved høje cykelhastigheder. TiO ₂ nanorør-anode demonstrerede både meget højere energi og højere effekt sammenlignet med dens strukturelle TiO ₂ fætter og kusine, som viste et fald i kapacitet i lignende eksperimenter med hurtig cykling.

XRD og XAS undersøgelserne, sammen med beregningssimuleringer, vist, hvordan anodestrukturen ændres ved cykling. Over ~1,1 V, ingen ændringer blev observeret med cykling, men under 1,1 V, en meget symmetrisk, tætpakket kubisk oxygen krystallinsk struktur dannet, med Ti og Li tilfældigt fordelt blandt oktaedriske steder.

Interessant nok, den type kortdistanceorden, der ville forventes i et sådant fuldt ordnet oktaedrisk system, udvikler sig tilsyneladende ikke i dette tilfælde. Imidlertid, dette påvirker ikke termodynamisk stabilitet, og den kubiske struktur forblev både meget stabil og reversibel efter faseovergangen.

Det ser ud til, at interkalation/deinterkalation af Li+ ioner initierer en ny struktur, der tillader endnu bedre interkalation af Li+ ioner. Fordi alle lag i den nye struktur bevarer metalatomer selv i ladet tilstand, den kubiske fase af materialet bevares. Molekylær dynamik simuleringer af Li-ion diffusion i andre typer af TiO ₂ strukturer viste, at den mest effektive diffusion og den laveste aktiveringsbarriere (0,257 eV) forekommer i den amorfe kubiske Li ₂ Ti ₂ O ₄ form, sammenlignet med andre TiO ₂ sorter som f. igen, anatase.

Det amorfe-til-kubiske TiO ₂ nanorør anode blev testet i en fuld celle konfiguration med en 5-V spinel katode (LiNi0.5Mn1.5O4). Ved gentagen cykling, cellen viste en gennemsnitlig spænding på 2,8 V og forbedret kapacitet.

En anden tydelig fordel ved TiO ₂ nanorør anode er, at fordi den ikke lider under kapacitetsforringelse, det undgår Li-belægning ved grafitanode- og elektrodeoverpotentialer, der skaber mulige sikkerhedsrisici i andre typer Li-ion-batterier.

Ved at skabe et elektrodemateriale i nanoskala, der faktisk kan ordne sig selv i en mere effektiv og kraftfuld elektrokemisk struktur, når det udsættes for gentagen afladning og opladning, forskerholdet skabte en ny vej for design og udvikling af højere kapacitet, højere magt, sikrere batterier. I vores verden af ​​smartphones teknologi og elbiler, betydningen af ​​et sådant fremskridt kan næppe overvurderes.