En lovande teknik under utveckling av stora batteritillverkare har blivit ännu mer attraktiv, tack vare forskare som har tagit en aldrig tidigare skådad titt på en viktig barriär för bättre, litiumjonbatterier som håller längre.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory rapporterar nya rön om hur man gör en enkristall, nickelrik katod hårdare och mer effektiv. Teamets arbete med katoden, en kritisk komponent i litiumjonbatterierna som är vanliga i elfordon idag, visas i numret av tidskriften den 11 december Vetenskap .

Forskare runt om i världen arbetar för att skapa batterier som levererar mer energi, håller längre och är billigare att tillverka. Förbättrade litiumjonbatterier är avgörande för en bredare användning av elfordon.

Utmaningarna är många. Ett batteris enkla utseende motsäger dess komplexitet, och kontroll av de komplexa molekylära interaktionerna inom är väsentligt för att enheten ska fungera korrekt. Ständiga kemiska reaktioner tar ut sin rätt, begränsa hur länge ett batteri räcker och påverka dess storlek, kostnader och andra faktorer.

Löftet om en nickelrik katod:Mer energikapacitet

Forskare arbetar på sätt att lagra mer energi i katodmaterialen genom att öka nickelhalten. Nickel finns på ritbordet för tillverkare av litiumjonbatterier till stor del på grund av dess relativt låga kostnad, bred tillgänglighet och låg toxicitet jämfört med andra nyckelbatterimaterial, såsom kobolt.

"Nickelrika katodmaterial har verklig potential att lagra mer energi, sa Jie Xiao, motsvarande författare till uppsatsen och gruppledare för PNNL:s batteriforskningsprogram. "Men storskalig utbyggnad har varit en utmaning."

Även om nickel lovar mycket, i höga mängder kan det ställa till problem i batterier. Ju mer nickel i materialets galler, desto mindre stabil är katoden. Högt nickelinnehåll kan öka oönskade bireaktioner, skadar materialet och gör lagring och hantering mycket svår.

Att utnyttja alla fördelar med mer nickel och samtidigt minimera nackdelarna är en utmaning.

För närvarande är den vanligaste nickelrika katoden i form av polykristaller - aggregat av många nanokristaller i en större partikel. Dessa har fördelar för lagring och urladdning av energi snabbare. Men polykristallerna går ibland sönder under upprepad cykling. Detta kan lämna en stor del av ytan exponerad för elektrolyt, accelererar oönskade kemiska reaktioner som orsakas av hög nickelhalt och genererar gas. Denna oåterkalleliga skada resulterar i ett batteri med en nickelrik katod som misslyckas snabbare och väcker säkerhetsproblem.

Av enkristaller, isbitar och litiumjonbatterier

Forskare som Xiao försöker kringgå många av dessa problem genom att skapa en enkristall, nickelrik katod. PNNL-forskarna utvecklade en process för att odla högpresterande kristaller i smälta salter - natriumklorid, vanligt bordssalt - vid hög temperatur.

Vad är fördelen med en enkristall jämfört med ett polykristallint material? Tänk på att hålla din mat kall när du campar. Ett fast isblock smälter mycket långsammare än samma mängd is som kommer i små kuber; isblocket är mer motståndskraftigt mot skador från högre temperaturer och andra yttre krafter.

Det är liknande med nickelrika katoder:ett aggregat av små kristaller är mycket mer känsligt för sin omgivning än en enskild kristall under vissa förhållanden, speciellt när det är högt nickelinnehåll, eftersom nickel är benäget att framkalla oönskade kemiska reaktioner. Över tid, med upprepade battericykler, aggregaten pulveriseras till slut, förstöra katodens struktur. Det är inte så mycket ett problem när mängden nickel i katoden är lägre; under sådana förhållanden, en polykristallin katod som innehåller nickel erbjuder hög effekt och stabilitet. Problemet blir mer uttalat, fastän, när forskare skapar en katod med mer nickel – en katod som verkligen är rik på nickel.

Katodens mikrosprickor vändbara, förebyggbar

PNNL-teamet upptäckte en anledning till varför en enkristall, nickelrik katod bryts ner:Det beror på en process som kallas kristallglidning, där en kristall börjar gå sönder, leder till mikrosprickor. De fann att glidningen är delvis reversibel under vissa förhållanden och har föreslagit sätt att undvika skadorna helt och hållet.

"Med den nya grundläggande förståelsen, vi kommer att kunna förhindra glidning och mikrosprickor i enkristallen. Detta är till skillnad från skadan i den polykristallina formen, där partiklarna pulveriseras i en process som inte är reversibel, sa Xiao.

Det visar sig att glidrörelser inom kristallens gitterlager är roten till mikrosprickor. Lagren rör sig fram och tillbaka, som kort i en kortlek när de blandas. Glidningen sker när batteriet laddas och laddas ur - litiumjoner lämnar och återgår till katoden, spänner kristallen lite varje gång. Under många cykler, den upprepade glidningen resulterar i mikrosprickor.

Xiaos team lärde sig att processen delvis kan vända sig själv genom litiumatomernas naturliga handlingar, som skapar spänningar i en riktning när jonerna kommer in i kristallgittret och i motsatt riktning när de lämnar. Men de två åtgärderna tar inte ut varandra helt, och med tiden, mikrosprickor kommer att uppstå. Det är därför enkristaller slutligen misslyckas, även om de inte bryts ner till små partiklar som deras polykristallina motsvarigheter.

Teamet följer flera strategier för att förhindra glidning. Forskarna har upptäckt att drift av batteriet vid en vanlig spänning - runt 4,2 volt - minimerar skador medan de fortfarande är inom det normala räckvidden för litiumjonbatterier för elfordon. Teamet förutspår också att om man håller storleken på en enkristall under 3,5 mikron kan det undvika skador även vid högre spänningar. Och teamet undersöker sätt att stabilisera kristallgittret för att bättre tillgodose ankomsten och avgången av litiumjoner.

Teamet uppskattar att enkristallen, nickelrik katod packar minst 25 procent mer energi jämfört med de litiumjonbatterier som används i dagens elfordon.

Nu, PNNL-forskare under ledning av Xiao arbetar med Albemarle Corporation, ett stort tillverkningsföretag för specialkemikalier och en av världens ledande tillverkare av litium för elfordonsbatterier. I ett samarbete finansierat av DOE, Teamet kommer att undersöka effekterna av avancerade litiumsalter på prestandan hos enkristallika nickelrika katodmaterial genom att demonstrera processen i kilogramskala.