Forstå kilden til ekstra store kapaciteter i lovende Li-ion batterielektroder

Lithium (Li) ion batterier driver næsten alle de bærbare elektroniske enheder, som vi bruger hver dag, herunder smartphones, kameraer, legetøj, og endda elbiler. Forskere over hele kloden arbejder på at finde materialer, der kan føre til sikre, billig, langvarig, og kraftfulde Li-ion batterier.

Arbejder på forskellige amerikanske Department of Energy lyskildefaciliteter og på Cambridge og Stony Brook universiteter, en gruppe forskere har for nylig undersøgt en klasse af Li-ion-batterielektroder, der har meget større kapacitet end de materialer, der bruges i nutidens batterier. Forskerne ønskede at afgøre, hvorfor disse materialer ofte kan lagre mere ladning, end teorien forudsiger.

Forfatterne valgte rutheniumoxid (RuO2) som et modelsystem til at studere disse såkaldte "konverteringsmaterialer, "navngivet, fordi de undergår store strukturelle ændringer, når de reagerer med lithiumioner, reversibelt at danne metal nanopartikler og salte (her Ru og Li2O). Disse reaktioner er meget forskellige fra dem, der forekommer i konventionelle elektroder, som lagrer ladning ved at lade Li -ioner nestle i rum inden for krystalgitteret.

"Vores undersøgelse identificerede kilden til den ekstra kapacitet, der blev fundet til RuO2, og har også givet en protokol til undersøgelse af det 'passiveringslag', der dannes på batterielektroder, som beskytter elektrolytten mod at undergå yderligere nedbrydningsreaktioner i efterfølgende ladningsudladningscyklusser, "sagde undersøgelsens tilsvarende forsker, Clare Grey, en professor i kemiafdelingerne ved Cambridge og Stony Brook universiteter. "At forstå strukturerne i disse passiveringslag er nøglen til at lave batterier, der holder længe nok til brug i applikationer som f.eks. Transport og lagring af elnettet."

På Brookhaven National Laboratory's National Synchrotron lyskilde, teamet undersøgte deres prøver ved hjælp af røntgenabsorption nærkantstruktur (XANES) og udvidet røntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS). På Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory, de brugte to yderligere teknikker, højopløsnings røntgendiffraktion (XRD) og scattering pair distribution function (PDF) analyse, at udtrække oplysninger om de elektroniske og lange/korte afstande strukturelle ændringer af RuO2-elektroden i realtid, da batteriet blev afladet og opladet. Ved hjælp af disse metoder, holdet viste, at RuO2 blev reduceret til Ru nanopartikler og Li2O via dannelsen af ​​mellemfaser, LixRuO2.

Da dette ikke forklarede kilden til den ekstra gebyrlagringsmekanisme, gruppen brugte en anden teknik, høj opløsning solid-state nuklear magnetisk resonans (NMR). Denne metode involverer at udsætte en prøve for et magnetfelt og måle responsen af ​​kernerne i prøven. Det kan give specifik information om de kemiske sammensætninger og lokale strukturer, og er især nyttig til undersøgelse af forbindelser, der kun indeholder "lette" elementer, såsom hydrogen (H), Li, og ilt (O), som er svære at opdage ved hjælp af XRD. NMR -dataene viste, at den største bidragyder til kapaciteten er dannelsen af ​​LiOH, som konverteres reversibelt til Li2O og LiH. Mindre bidragydere til kapaciteten kommer fra Li -opbevaring på Ru nanopartikeloverfladerne, danner en LixRu -legering, og nedbrydning af elektrolytten. Det sidste, imidlertid, i sidste ende får kapaciteten til at falde og vil resultere i batteriets død efter flere opladningscyklusser.