Unik katodestruktur i to niveauer forbedrer batteriets ydeevne

At bygge et bedre batteri er en delikat balancegang. At øge mængden af ​​kemikalier, hvis reaktioner driver batteriet, kan føre til ustabilitet. Tilsvarende mindre partikler kan forbedre reaktiviteten, men udsætte mere materiale for nedbrydning. Nu er et team af videnskabsmænd fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, og SLAC National Accelerator Laboratory siger, at de har fundet en måde at finde en balance på - ved at lave en batterikatode med en hierarkisk struktur, hvor det reaktive materiale er rigeligt, men alligevel beskyttet.

Testbatterier, der inkorporerer dette katodemateriale, udviste forbedret højspændingscyklusadfærd - den slags, du ønsker til hurtigopladning af elektriske køretøjer og andre applikationer, der kræver højkapacitetslagring. Forskerne beskriver mikro-til-nanoskala-detaljerne i katodematerialet i et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet Naturenergi 11 januar, 2016.

"Vores kolleger på Berkeley Lab var i stand til at lave en partikelstruktur, der har to kompleksitetsniveauer, hvor materialet er samlet på en måde, så det beskytter sig selv mod nedbrydning, "forklarede Brookhaven Lab -fysikeren og Stony Brook University adjungeret adjunkt Huolin Xin, som hjalp med at karakterisere nanoskaladetaljerne af katodematerialet på Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN).

Røntgenbilleder udført af forskere ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) på SLAC sammen med Xins elektronmikroskopi ved CFN afslørede sfæriske partikler af katodematerialet, der måler milliontedele meter, eller mikron, i diameter består af masser af mindre, facetterede nanoskala partikler stablet sammen som mursten i en væg. Karakteriseringsteknikkerne afslørede vigtige strukturelle og kemiske detaljer, der forklarer, hvorfor disse partikler fungerer så godt.

Lithium-ion-shuttlen

Kemi er kernen i alle lithium-ion genopladelige batterier, som driver bærbar elektronik og elbiler ved at flytte lithium-ioner mellem positive og negative elektroder badet i en elektrolytopløsning. Når lithium bevæger sig ind i katoden, kemiske reaktioner genererer elektroner, der kan dirigeres til et eksternt kredsløb til brug. Genopladning kræver en ekstern strøm for at køre reaktionerne omvendt, trække lithium-ionerne ud af katoden og sende dem til anoden.

Reaktive metaller som nikkel har potentiale til at fremstille store katodematerialer - bortset fra at de er ustabile og har en tendens til at undergå destruktive sidereaktioner med elektrolytten. Så Brookhaven, Berkeley, og SLAC -batteriteam eksperimenterede med måder at inkorporere nikkel på, men beskytter det mod disse ødelæggende sidereaktioner.

De sprøjtede en opløsning af lithium, nikkel, mangan, og kobolt blandet i et bestemt forhold gennem en forstøverdyse for at danne små dråber, som derefter nedbrydes til et pulver. Gentagne gange opvarmning og afkøling af pulveret udløste dannelsen af ​​bittesmå partikler i nanostørrelse og selvsamlingen af ​​disse partikler i den større sfæriske, nogle gange hul, strukturer.

Brug af røntgenstråler ved SLAC's SSRL, forskerne lavede kemiske "fingeraftryk" af strukturerne i mikronskalaen. Synkrotronteknikken, kaldet røntgenspektroskopi, afslørede, at den ydre overflade af kuglerne var relativt lav i nikkel og høj i ureaktivt mangan, mens interiøret var rigt på nikkel.

"Manganlaget danner en effektiv barriere, som maling på en væg, beskytter den indre struktur af de nikkelrige 'mursten' mod elektrolytten, " sagde Xin.

Men hvordan var lithiumionerne stadig i stand til at komme ind i materialet for at reagere med nikkel? At finde ud af, Xins gruppe ved CFN malede de større partikler for at danne et pulver bestående af meget mindre klumper af de primære partikler i nanoskala med nogle af grænsefladerne mellem dem stadig intakte.

"Disse prøver viser en lille delmængde af murstenene, der danner væggen. Vi ville se, hvordan murstenene er sat sammen. Hvilken slags cement eller mørtel binder dem? Er de lagdelt regelmæssigt eller er de tilfældigt orienteret med mellemrum imellem? " sagde Xin.

Nanoskala detaljer forklarer forbedret ydeevne

Ved at bruge et aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskop - et scanningstransmissionselektronmikroskop udstyret med et par "briller" for at forbedre dets syn - så forskerne, at partiklerne havde facetter, flade flader eller sider som de afskårne kanter på en krystal, hvilket gjorde det muligt for dem at pakke tæt sammen for at danne sammenhængende grænseflader uden mørtel eller cement mellem murstenene. Men der var en lille mistilpasning mellem de to overflader, hvor atomerne på den ene side af grænsefladen er en smule forskudt i forhold til atomerne på den tilstødende partikel.

"Pakningen af ​​atomer ved grænsefladerne mellem de små partikler er lidt mindre tæt end det perfekte gitter i hver enkelt partikel, så disse grænseflader gør dybest set en motorvej for lithiumioner at gå ind og ud, " sagde Xin.

Som små smarte biler, lithium-ionerne kan bevæge sig langs disse motorveje for at nå den indre struktur af væggen og reagere med nikkel, men meget større elektrolytmolekyler i semi-lastbilstørrelse kan ikke komme ind for at nedbryde det reaktive materiale.

Ved at bruge et spektroskopiværktøj i deres mikroskop, CFN -forskerne producerede kemiske fingeraftryk i nanoskala, der afslørede, at der var en vis adskillelse af nikkel og mangan, selv på nanoskalaen, ligesom der var i mikron-skala strukturer.

"Vi ved endnu ikke, om dette er funktionelt signifikant, men vi tror, ​​det kunne være gavnligt, og vi ønsker at studere dette yderligere, " sagde Xin. F.eks. han sagde, måske kunne materialet fremstilles på nanoskala til at have et manganskelet for at stabilisere de mere reaktive, mindre stabile nikkelrige lommer.

"Denne kombination kan give dig en længere levetid for batteriet sammen med den højere opladningskapacitet af nikkel, " han sagde.