Ett team av forskare inklusive forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och SLAC National Accelerator Laboratory har identifierat orsakerna till nedbrytning i ett katodmaterial för litiumjonbatterier, såväl som möjliga åtgärder. Deras fynd, publicerad den 7 mars Avancerade funktionella material , kan leda till utvecklingen av mer prisvärda och bättre prestanda batterier för elfordon.

Letar efter katodmaterial med hög prestanda

För att elfordon ska leverera samma tillförlitlighet som gasfordon behöver de lätta men ändå kraftfulla batterier. Litiumjonbatterier är den vanligaste typen av batterier som finns i elfordon idag, men deras höga kostnad och begränsade livslängd är begränsningar för den utbredda utplaceringen av elfordon. För att övervinna dessa utmaningar, forskare vid många av DOE:s nationella laboratorier undersöker sätt att förbättra det traditionella litiumjonbatteriet.

Batterier består av en anod, en katod, och en elektrolyt, men många forskare anser att katoden är den mest angelägna utmaningen. Forskare vid Brookhaven är en del av ett DOE-sponsrat konsortium som heter Battery500, en grupp som arbetar för att tredubbla energitätheten hos batterierna som driver dagens elfordon. Ett av deras mål är att optimera en klass av katodmaterial som kallas nickelrika skiktade material.

"Skiktade material är mycket attraktiva eftersom de är relativt lätta att syntetisera, men också för att de har hög kapacitet och energitäthet, "sa Brookhaven -kemisten Enyuan Hu, författare till tidningen.

Litiumkoboltoxid är ett skiktat material som har använts som katod för litiumjonbatterier i många år. Trots framgångsrik tillämpning i små energilagringssystem som portabel elektronik, kobolts kostnad och toxicitet är hinder för materialets användning i större system. Nu, forskare undersöker hur man kan ersätta kobolt med säkrare och billigare element utan att äventyra materialets prestanda.

"Vi valde ett nickelrikt skiktmaterial eftersom nickel är billigare och giftigare än kobolt, "Sa Hu." Men problemet är att nickelrika skiktade material börjar försämras efter flera laddningsurladdningscykler i ett batteri. Vårt mål är att identifiera orsaken till denna nedbrytning och tillhandahålla möjliga lösningar. "

Bestämning av orsaken till att kapaciteten bleknar

Katodmaterial kan brytas ned på flera sätt. För nickelrika material, problemet är huvudsakligen kapacitetsminskning-en minskning av batteriets laddningsurladdningskapacitet efter användning. För att fullt ut förstå denna process i deras nickelrika skiktade material, forskarna behövde använda flera forskningstekniker för att bedöma materialet från olika vinklar.

"Detta är ett mycket komplext material. Dess egenskaper kan förändras i olika längdskalor under cykling, "Sa Hu." Vi behövde förstå hur materialets struktur förändrades under laddningsurladdningsprocessen både fysiskt-på atomskala uppåt-och kemiskt, som involverade flera element:nickel, kobolt, mangan, syre, och litium. "

Att göra så, Hu och hans kollegor präglade materialet vid flera forskningsanläggningar, inklusive två synkrotronljuskällor-National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) vid Brookhaven och Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) vid SLAC. Båda är DOE Office of Science användarfaciliteter.

"I varje längdskala i detta material, från ångström till nanometer och till mikrometer, något händer under batteriets laddningsurladdningsprocess, "säger medförfattaren Eli Stavitski, beamline-forskare vid NSLS-II:s Inner Shell Spectroscopy (ISS) beamline. "Vi använde en teknik som kallas röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) här på ISS för att avslöja en atombild av miljön kring de aktiva metalljonerna i materialet."

Resultat från XAS-experimenten vid NSLS-II fick forskarna att dra slutsatsen att materialet hade en robust struktur som inte släppte ut syre från massan, utmanande tidigare övertygelser. Istället, forskarna identifierade att stammen och den lokala störningen mestadels var associerad med nickel.

För att undersöka vidare, laget genomförde transmissionsröntgenmikroskopi (TXM) experiment vid SSRL, kartlägga alla kemiska fördelningar i materialet. Denna teknik ger en mycket stor uppsättning data, så forskarna vid SSRL tillämpade maskininlärning för att sortera igenom data.

"Dessa experiment gav en enorm mängd data, där kom vårt datorbidrag in, "sa medförfattaren Yijin Liu, en SLAC -personalvetare. "Det hade inte varit praktiskt för människor att analysera all denna data, så vi utvecklade en metod för maskininlärning som sökte igenom data och gjorde bedömningar om vilka platser som var problematiska. Detta berättade var vi ska leta och vägledde vår analys. "

Hu sa, "Den viktigaste slutsatsen vi drog från detta experiment var att det fanns betydande inhomogeniteter i oxidationstillstånden för nickelatomerna genom hela partikeln. En del nickel i partikeln upprätthöll ett oxiderat tillstånd, och sannolikt inaktiverad, medan nickeln på ytan reducerades irreversibelt, minska dess effektivitet. "

Ytterligare experiment avslöjade små sprickor som bildades i materialets struktur.

"Under ett batteris laddningsurladdningsprocess, katodmaterialet expanderar och krymper, skapar stress, "Sa Hu." Om den stressen kan släppas snabbt orsakar det inte några problem, men om det inte kan frigöras effektivt, då kan sprickor uppstå. "

Forskarna trodde att de möjligen kunde mildra detta problem genom att syntetisera ett nytt material med en ihålig struktur. De testade och bekräftade den teorin experimentellt, liksom genom beräkningar. Går vidare, teamet planerar att fortsätta utveckla och karakterisera nya material för att förbättra deras effektivitet.

"Vi arbetar i en utvecklingscykel, "Sa Stavitski." Du utvecklar materialet, sedan karaktäriserar du det för att få insikt i dess prestanda. Sedan går du tillbaka till en syntetisk kemist för att utveckla en avancerad materialstruktur, och sedan karaktäriserar du det igen. Det är en väg till ständig förbättring. "

Dessutom, som NSLS-II fortsätter att bygga upp sina möjligheter, forskarna planerar att slutföra mer avancerade TXM -experiment på denna typ av material, dra nytta av NSLS-II:s ultrabrightljus.