Litiumjonbatterierna som driver elfordon och telefoner laddas och laddas ur genom att transportera litiumjoner fram och tillbaka mellan två elektroder, en anod och en katod. Ju fler litiumjoner elektroderna kan absorbera och frigöra, desto mer energi kan batteriet lagra.

En fråga som plågar dagens kommersiella batterimaterial är att de bara kan släppa ut ungefär hälften av de litiumjoner de innehåller. En lovande lösning är att fylla katoder med extra litiumjoner, så att de kan lagra mer energi på samma utrymme. Men av någon anledning, varje ny laddnings- och urladdningscykel tar långsamt bort dessa litiumrika katoder från deras spänning och kapacitet.

En ny studie ger en heltäckande modell av denna process, identifiera vad som ger upphov till det och hur det i slutändan leder till batteriets undergång. Leds av forskare från Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory, den publicerades idag i Naturmaterial .

"Denna forskning tog upp många missuppfattningar inom området, " säger studieledaren William Gent, en Stanford University Siebel Scholar och vinnare av en Advanced Light Source and Molecular Foundry Doctoral Fellowship vid Berkeley Lab. "Det är en lång väg att gå, men nu har vi en grundläggande förståelse för egenskaperna som leder till denna process som kommer att hjälpa oss att utnyttja dess kraft snarare än att bara sticka på den i mörkret."

Insuper det

Att cykla av litium genom ett batteri är som ett svamprelä, en häftklammer av picknick och grillfester i fjärde juli som utmanar deltagarna att överföra vatten från en hink till en annan med bara en svamp. Ju mer absorberande svampen, desto mer vatten kan man pressa i den andra hinken.

Litiumrika batterikatoder är som superabsorberande svampar, kan suga upp nästan dubbelt så många litiumjoner som kommersiella katoder, packar så mycket som dubbelt så mycket energi i samma mängd utrymme. Detta kan möjliggöra mindre telefonbatterier och elfordon som färdas längre mellan laddningarna.

De flesta litiumjonbatterikatoder innehåller alternerande lager av litium- och övergångsmetalloxider - element som nickel eller kobolt i kombination med syre. I kommersiella batterier, varje gång en litiumatom lämnar katoden för anoden, en elektron hakar sig från en övergångsmetallatom. Dessa elektroner skapar den elektriska ström och spänning som krävs för att ladda materialet.

Men något annat händer i litiumrika batterier.

"En ovanlig egenskap hos litiumrika katoder är att elektronen kommer från syret snarare än övergångsmetallen, säger Michael Toney, en framstående forskare vid SLAC och medförfattare till artikeln. "Denna process, kallad syreoxidation, gör det möjligt för katoder att extrahera cirka 90 procent av litiumet med en tillräckligt hög spänning för att öka energin som lagras i batteriet."

Faller isär

Men föreställ dig i svampreläet att med varje efterföljande blötläggning, svampens struktur förändras:fibrerna stelnar och buntas ihop, äter upp det tomma utrymmet som gör materialet så effektivt att absorbera vatten. Syreoxidation gör något liknande. Författarnas tidigare studie, publiceras i Naturkommunikation , visade att varje gång litiumjoner cyklar ut ur katoden in i anoden, några övergångsmetallatomer smyger sig in för att ta deras plats och katodens atomstruktur blir lite stökigare. Den skiktade strukturen som är avgörande för katodens prestanda faller långsamt isär, minskar dess spänning och kapacitet.

I denna nya studie, forskarna visade att detta beror på att om man drar elektronen från syre, vill den bilda en annan bindning och övergångsmetallatomer måste röra sig för att rymma den bindningen, ändra atomstrukturen.

"Detta är det första papper som ger en komplett modell för varför dessa saker är relaterade och var många av den litiumrika katodens ovanliga egenskaper kommer ifrån, " säger Jihyun Hong, en postdoc från Stanford och SLAC, nu vid Korea Institute of Science and Technology (KIST).

Utnyttja effekten

Toney säger att det krävdes en kombination av teori och många experimentella metoder, gjort på SLACs Stanford Synchrotron Light Source (SSRL) samt Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) och Molecular Foundry, att reda ut detta komplicerade problem.

Denna kombination gjorde det möjligt för teamet att på ett avgörande sätt demonstrera den starka drivkraften bakom förändringar i katodens bindningskonfiguration under syreoxidation. Nästa steg, Toney säger, är att hitta sätt att producera dessa förändringar utan att totalt störa katodens kristallstruktur.

"Eftersom syreoxidation ger upphov till extra energitäthet, att kunna förstå och kontrollera det är potentiellt en game changer i elfordon, " säger William Chueh, biträdande professor i materialvetenskap vid Stanford, som ledde studien. "Än så länge, framstegen på detta område har i stort sett varit stegvisa, med förbättringar på bara några procent per år. Om vi ​​kan hitta ett sätt att få det här att fungera, det skulle vara ett stort steg framåt för att göra den här tekniken praktisk."