Belysning af strukturelle egenskaber i Li-ion-batterier, der leverer ultrahurtig opladning

Forskere ved Tokyo Tech og Okayama University har i høj grad forbedret ydeevnen af ​​LiCoO ₂ katoder i Li-ion-batterier ved at dekorere dem med BaTiO ₃ nanodotter. Mest vigtigt, de belyste mekanismen bag de målte resultater, konkluderer, at BaTiO ₃ nanodots skaber en speciel grænseflade, hvorigennem Li-ioner let kan cirkulere, selv ved meget høje opladnings-/afladningshastigheder.

I dag, moderne fremskridt inden for elektrisk udstyr og køretøjer har skabt behovet for forbedrede batterier med hensyn til stabilitet, genopladelighed, og opladningshastigheder. Selvom Li-ion-batterier (LIB'er) har vist sig at være meget nyttige, det er ikke muligt at oplade dem hurtigt nok med høje strømme uden at løbe ind i problemer såsom pludselige fald i cyklerbarhed og outputkapacitet på grund af deres iboende høje modstand og uønskede sidereaktioner.

De negative virkninger af sådanne uønskede reaktioner hindrer LIB'er ved at bruge LiCoO ₂ (LCO) som katodemateriale. En af dem involverer opløsningen af ​​Co ₄ ⁺ ioner ind i batteriets elektrolytopløsning under opladnings-/afladningscyklusser. En anden effekt er dannelsen af ​​en fast elektrolytgrænseflade mellem det aktive materiale og elektroden i disse batterier, som hæmmer bevægelsen af ​​Li-ioner og dermed forringer ydeevnen.

I en tidligere undersøgelse, videnskabsmænd rapporterede, at brug af materialer med en høj dielektrisk konstant, såsom BaTiO ₃ (BTO) forbedrede højhastighedsydelsen af ​​LCO-katoder. Imidlertid, mekanismen bag de observerede forbedringer var uklar. For at kaste lys over denne lovende tilgang, et team af forskere fra Tokyo Tech, ledet af prof. Mitsuru Itoh, Dr. Shintaro Yasui og Mr. Sou Yasuhara, studerede LCO-katoder med BTO anvendt på forskellige måder for at finde ud af, hvad der skete ved BTO-LCO-grænsefladen mere detaljeret.

Holdet skabte tre LCO-katoder:en blottet, en belagt med et lag BTO, og en dækket med BTO nanodots (figur 1). Holdet modellerede også en LCO-katode med en enkelt BTO-nanodot og forudsagde, at strømtætheden tæt på kanten af ​​BTO-nanodoten var meget høj. Dette særlige område kaldes triple phase interface (BTO-LCO-elektrolyt), og dens eksistens forbedrede i høj grad den elektriske ydeevne af katoden dækket med mikroskopiske BTO nanodots.

Som forventet, efter at have testet og sammenlignet de tre katoder, de fremstillede, holdet fandt ud af, at den med et lag af BTO-prikker udviste en meget bedre ydeevne, både hvad angår stabilitet og udledningskapacitet. "Vores resultater viser tydeligt, at dekoration med BTO nanodots spiller en vigtig rolle i at forbedre cyklerbarheden og reducere modstanden, " siger Itoh. Ved at indse, at BTO-punkterne havde en afgørende effekt på bevægeligheden af ​​Li-ioner i katoden, holdet ledte efter en forklaring.

Efter at have undersøgt deres måleresultater, holdet konkluderede, at BTO nanodots skaber stier, hvorigennem Li-ioner let kan interkalere/de-interkalere, selv ved meget høje opladnings-/afladningshastigheder (figur 2). Dette skyldes, at det elektriske felt koncentreres omkring materialer med en høj dielektrisk konstant. I øvrigt, dannelsen af ​​en fast elektrolytgrænseflade er stærkt undertrykt nær den tredobbelte fasegrænseflade, hvilket ellers ville resultere i dårlig cyklelighed. "Mekanismen, hvorved dannelsen af ​​en fast elektrolytgrænseflade hæmmes nær den tredobbelte fasegrænseflade, er stadig uklar, " bemærker Itoh.

Selvom der stadig er meget forskning i dette emne, resultaterne er lovende og antyder en ny måde at forbedre LIB'er markant på. Dette kan være et vigtigt skridt for at opfylde kravene fra moderne og fremtidige enheder.