Att bygga ett bättre litiumjonbatteri innebär att man åtgärdar en myriad av faktorer samtidigt, från att hålla batteriets katod elektriskt och joniskt ledande till att se till att batteriet förblir säkert efter många cykler.

I en ny upptäckt, forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har utvecklat en ny katodbeläggning genom att använda en oxidativ kemisk ångavsättningsteknik som kan hjälpa till att lösa dessa och flera andra potentiella problem med litiumjonbatterier i ett slag.

"Beläggningen vi har upptäckt slår verkligen fem eller sex flugor i en smäll." Khalil Amine, Argonne framstående kollega och batteriforskare.

I forskningen, Amine och hans forskarkollegor tog partiklar av Argonnes banbrytande nickel-mangan-kobolt (NMC) katodmaterial och kapslade in dem med en svavelhaltig polymer som kallas PEDOT. Denna polymer ger katoden ett skyddsskikt från batteriets elektrolyt när batteriet laddas och laddas ur.

Till skillnad från konventionella beläggningar, som endast skyddar den yttre ytan av de mikronstora katodpartiklarna och lämnar det inre känsligt för sprickbildning, PEDOT-beläggningen hade förmågan att penetrera till katodpartikelns inre, lägga till ett extra lager av skärmning.

Dessutom, även om PEDOT förhindrar den kemiska interaktionen mellan batteriet och elektrolyten, det möjliggör den nödvändiga transporten av litiumjoner och elektroner som batteriet behöver för att fungera.

"Denna beläggning är i grunden vänlig mot alla processer och kemi som gör att batteriet fungerar och ovänligt mot alla potentiella reaktioner som skulle få batteriet att degraderas eller inte fungerar, " sa Argonne kemisten Guiliang Xu, den första författaren till forskningen.

Beläggningen förhindrar också till stor del en annan reaktion som gör att batteriets katod avaktiveras. I denna reaktion, katodmaterialet omvandlas till en annan form som kallas spinell. "Kombinationen av nästan ingen spinellbildning med dess andra egenskaper gör denna beläggning till ett mycket spännande material, " sa Amine.

PEDOT-materialet visade också förmågan att förhindra syrefrisättning, en viktig faktor för nedbrytningen av NMC-katodmaterial vid hög spänning. "Denna PEDOT-beläggning visade sig också kunna undertrycka syrefrisättning under laddning, vilket leder till bättre strukturell stabilitet och även förbättrar säkerheten, " sa Amine.

Amine indikerade att batteriforskare sannolikt skulle kunna skala upp beläggningen för användning i nickelrika NMC-innehållande batterier. "Denna polymer har funnits ett tag, men vi blev ändå förvånade över att se att det har alla de uppmuntrande effekter som det har, " han sa.

Med beläggningen applicerad, forskarna tror att de NMC-innehållande batterierna antingen kan köras med högre spänningar – och därmed öka deras energiuttag – eller ha längre livslängder, eller båda.

För att utföra forskningen, forskarna förlitade sig på två DOE Office of Science User Facilities belägna i Argonne:Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanoscale Materials (CNM). In situ högenergiröntgendiffraktionsmätningar gjordes vid strållinje 11-ID-C i APS, och fokuserad jonstrålelitografi och transmissionselektronmikroskopi utfördes vid CNM.

Ett papper baserat på studien, "Att bygga ultrakonforma skyddsskikt på både sekundära och primära partiklar av skiktade litiumövergångsmetalloxidkatoder, " dök upp i onlineupplagan den 13 maj av Naturenergi .