Batteriforskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har upptäckt en viktig kemisk reaktion som liknar metoden som används för att göra pickles. Reaktionen ger viktig inblick i beteendet hos en vanlig elektrolytadditiv som används för att öka prestanda.

Det energilagringssystem som valts för elfordon är litiumjonbatteriet. I alla elbatterier, desto mer energi lagras, desto längre räckvidd. För närvarande, dock, katoden begränsar den maximala energilagringskapaciteten för litiumjonbatteriet. För att komma över den begränsningen krävs katodmaterial som har hög kapacitet och fungerar vid hög spänning. Även om sådana material har identifierats, deras långsiktiga användning är fortfarande problematisk, eftersom de bryter ned den flytande elektrolyten i kontakt med den energiska katoden under litiumjoncellens laddnings-urladdningscykel.

Ett välkänt sätt att lösa det problemet är att sätta in en prestandahöjande tillsats i vätskeelektrolyten. Denna tillsats modifierar katodytan genom att bilda ett skyddande skikt som stoppar elektrolytnedbrytningen. En sådan vanlig tillsats, visat sig vara effektivt, är tris (trimetylsilyl) fosfit, mer känd som TMSPi. Mekanismen bakom dess fördelaktiga effekt hade varit ett mysterium - tills nu.

Det överraskande nya resultatet är att TMSPi -molekylen i sig inte direkt är involverad i skyddet av katoden. Den aktiva komponenten är en annan molekyl, PF ₂ OSiMe ₃ , som härrör kemiskt från TMSPi och representeras strukturellt i bilden till vänster.

Denna förening - en bland många sådana produkter - bildas långsamt när litiumsaltet i elektrolyten reagerar med TMSPi. En av Argonne -författarna, Senior materialforskare Daniel Abraham, jämförde processen "med anaerob jäsning av gurkor i saltlake, vilket ger oss läckra pickles. "

I sin forskning, Abraham och hans kollegor visade att denna "betning" har flera fördelaktiga effekter. Reaktionsprodukten minskar ökningen av det elektriska motståndet som normalt uppstår i battericellen under laddnings -urladdningscykel. En oönskad bromsning av litiumjoner som rör sig mellan katod och anod och en irreversibel förändring av katodkompositionen utlöser ökningen av motstånd; minskning av motståndsökningen möjliggör snabb laddning och urladdning av litiumjoncellen.

TMPSi -produkten minskar också den skadliga förlusten av övergångsmetallen (vanligtvis kobolt eller mangan) i katodmaterialet. Efter att ha rymt från katoden, övergångsmetalljoner passerar genom elektrolyten till anoden, försämra prestandan under långvarig cykling. TMPSi -produkten begränsar inte bara övergångsmetallförlusten utan minskar också förekomsten av parasitströmmar som försämrar laddnings -urladdningsprocessen.

"Nyckeln till framgång i denna studie var identifiering av ursprunget till dessa fördelaktiga effekter, "tillade Abraham. Han utarbetade att hans teams beräkningsstudier avslöjade att reaktionsprodukten PF ₂ OSiMe ₃ binder starkt till reaktionscentra på katodytan utan att orsaka skadligt avlägsnande av syre från ytan. Denna ytbundna molekyl kan vidare reagera med elektrolyten, förvandlas till en ännu starkare bindningsmolekyl som permanent täcker reaktionscentra på katoden, stabilisera gränssnittet mellan flytande elektrolyt och fast elektrod. "Som ett resultat, "Abraham rapporterar, "batteriets prestanda förbättras faktiskt när TMPSi -elektrolyttillsatsen åldras."

Abraham rapporterar också att denna tidiga forskningsstudie har en viktig praktisk tillämpning. "Nu när vi bättre förstår mekanismen för fosfitens katodskyddande verkan, vi kan vara mer systematiska när det gäller att hitta nya sätt att uppnå och förbättra denna betning av elektrolyttillsatsen. "

En nyligen publicerad artikel i The Journal of Physical Chemistry , med titeln "Kemisk" betning "av fosfatadditiv Dämpar impedansökning i litiumjonbatterier, "beskriver arbetet.