Uorden kan stabilisere batterier

Nye materialer kan forbedre opbevaringskapaciteten og cyklusstabiliteten for genopladelige batterier betydeligt. Blandt disse materialer er højentropioxider (HEO), hvis stabilitet skyldes en uordnet fordeling af elementerne. med HEO, elektrokemiske egenskaber kan skræddersyes, som blev fundet af forskere fra teamet af nanoteknologiekspert Horst Hahn ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

Bæredygtig energiforsyning kræver pålidelige lagersystemer. Efterspørgslen efter genopladelige elektrokemiske energilagringsenheder til både stationære og mobile applikationer er steget hurtigt i de seneste år og forventes at fortsætte med at vokse i fremtiden. Blandt de vigtigste egenskaber ved batterier er deres lagerkapacitet og deres cyklusstabilitet, dvs. antallet af mulige opladnings- og afladningsprocesser uden tab af kapacitet. Takket være dens høje stabilitet, en helt ny klasse af materialer kaldet high-entropy oxides (HEO) forventes at resultere i store forbedringer. I øvrigt, elektrokemiske egenskaber af HEO kan tilpasses ved at variere deres sammensætning. For første gang, forskere fra KIT's Institute of Nanotechnology (INT) og Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF), af Helmholtz Institute Ulm (HIU) etableret i fællesskab af KIT og Ulm University, og fra Indian Institute of Technology i Madras har nu demonstreret egnetheden af ​​HEO som konverteringsmateriale til reversibel lithiumlagring. Konverteringsbatterier baseret på elektrokemisk materialekonvertering muliggør en forøgelse af den lagrede mængde energi, mens batterivægten reduceres. Forskerne brugte HEO til at producere konverteringsbaserede elektroder, der overlevede mere end 500 opladningscyklusser uden nogen væsentlig forringelse af kapaciteten.

Nanostrukturerede materialer-gruppen af ​​professor Horst Hahn, Direktør for KIT's INT, er blandt pionererne inden for forskning i højentropioxider. Forskerne udgav flere af de stadig sjældne publikationer om disse nye materialer, som kun har været kendt i få år. De særlige egenskaber ved HEO skyldes entropistabilisering. Dette gør dem sammenlignelige med de i forvejen bedre kendte højentropi legeringer. Entropi-stabiliseret HEO er komplekse oxider, der indeholder fem eller flere forskellige metalkationer af samme mængde og udviser en enfaset krystalstruktur. Selvom typiske krystalstrukturer af elementerne adskiller sig betydeligt, de danner et fælles gitter og fordeler sig til positionerne i krystallen uden nogen synlig orden. Denne lidelse, også kaldet høj entropi, stabiliserer materialet, sandsynligvis fordi det forringer migration af defekter i gitteret.

"Takket være den høje stabilitet, vekselvirkningerne mellem de forskellige metalkationer, og det høje antal mulige elementkombinationer, HEO åbner op for uanede muligheder, " siger professor Horst Hahn. Undersøgelsen præsenteret i Naturkommunikation koncentreret om HEO baseret på overgangsmetaller (TM-HEO), som er karakteriseret ved høj lithium-ion-ledningsevne. Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi (TEM), forskerne studerede strukturen af ​​TM-HEO og dens indvirkning på omdannelsesreaktionen. De fandt ud af, at fjernelse af et element kun reducerer entropien og påvirker cykelstabiliteten negativt. Hvert enkelt element påvirker den elektrokemiske adfærd af TM-HEO, så materialerne kan skræddersyes til forskellige applikationer. Resultatet er en modulær tilgang til systematisk udvikling af elektrodematerialer. "Vores undersøgelse har vist, at entropi-stabiliseret HEO adskiller sig betydeligt fra klassisk konverteringsmateriale, " siger Horst Hahn. "For at åbne deres fulde potentiale for energilagringsapplikationer, imidlertid, yderligere forskning er nødvendig."