Ett team av forskare som leds av kemister vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har studerat en svårfångad egenskap i katodmaterial, kallas en valensgradient, för att förstå dess effekt på batteriets prestanda. Resultaten, publicerad i Naturkommunikation , visat att valensgradienten kan fungera som ett nytt tillvägagångssätt för att stabilisera strukturen hos katoder med hög nickelhalt mot nedbrytning och säkerhetsfrågor.

Katoder med hög nickelhalt har fångat forskarnas uppmärksamhet för deras höga kapacitet, en kemisk egenskap som kan driva elbilar över mycket längre sträckor än nuvarande batterier stöder. Tyvärr, den höga nickelhalten gör också att dessa katodmaterial bryts ned snabbare, skapar sprickor och stabilitetsproblem när batteriet cyklar.

På jakt efter lösningar på dessa strukturella problem, forskare har syntetiserat material tillverkade med en nickelkoncentrationsgradient, där nickelkoncentrationen gradvis ändras från materialets yta till dess centrum, eller huvuddelen. Dessa material har uppvisat mycket förbättrad stabilitet, men forskare har inte kunnat avgöra om koncentrationsgradienten ensam var ansvarig för förbättringarna. Koncentrationsgradienten har traditionellt sett varit oskiljaktig från en annan effekt som kallas valensgradienten, eller en gradvis förändring av nickels oxidationstillstånd från ytan av materialet till bulken.

I den nya studien ledd av Brookhaven Lab, kemister vid DOE:s Argonne National Laboratory syntetiserade ett unikt material som isolerade valensgradienten från koncentrationsgradienten.

"Vi använde ett mycket unikt material som inkluderade en nickelvalensgradient utan nickelkoncentrationsgradient, " sa Brookhaven kemisten Ruoqian Lin, första författaren till studien. "Koncentrationen av alla tre övergångsmetallerna i katodmaterialet var densamma från ytan till bulken, men nickels oxidationstillstånd förändrades. Dessa egenskaper fick vi genom att kontrollera materialets atmosfär och kalcineringstid under syntesen. Med tillräcklig kalcineringstid, den starkare bindningsstyrkan mellan mangan och syre främjar rörelsen av syre in i materialets kärna samtidigt som ett Ni2+ oxidationstillstånd för nickel vid ytan bibehålls, bildar valensgradienten."

När kemisterna framgångsrikt syntetiserade ett material med en isolerad valensgradient, Brookhaven-forskarna studerade sedan dess prestanda med hjälp av två DOE Office of Science-användaranläggningar vid Brookhaven Lab – National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) och Center for Functional Nanomaterials (CFN).

Vid NSLS-II, en ultraljus röntgenljuskälla, laget utnyttjade två banbrytande experimentstationer, den hårda röntgen Nanoprobe (HXN) -strålen och Full Field X-ray Imaging (FXI) -strålen. Genom att kombinera funktionerna hos båda strållinjerna, forskarna kunde visualisera den atomära strukturen och den kemiska sammansättningen av deras prov i 3D efter att batteriet körts under flera cykler.

"Båda strållinjerna har världsledande kapacitet. Du kan inte göra den här forskningen någon annanstans, "sa Yong Chu, ledare för bildbehandlings- och mikroskopiprogrammet vid NSLS-II och ledande strållinjeforskare vid HXN. "FXI är världens snabbaste nanoskala, det är ungefär tio gånger snabbare än någon annan konkurrent. HXN är mycket långsammare, men det är mycket känsligare – det är den högsta upplösningen för röntgenstrålning i världen."

HXN strållinjeforskaren Xiaojing Huang tillade, "På HXN, vi kör rutinmässigt mätningar i multimodalitetsläge, vilket innebär att vi samlar in flera signaler samtidigt. I den här studien, vi använde en fluorescenssignal och en fytografisignal för att rekonstruera en 3D-modell av provet i nanoskala. Floreskanalen gav elementärfördelningen, bekräftar provets sammansättning och enhetlighet. Fytografikanalen gav strukturell information med hög upplösning, avslöjar eventuella mikrosprickor i provet."

Samtidigt på FXI, "strållinjen visade hur valensgradienten existerade i detta material. Och eftersom vi utförde fullbildsavbildning med en mycket hög datainsamlingshastighet, vi kunde studera många regioner och öka studiens statistiska tillförlitlighet, " sa Lin.

Vid CFN-elektronmikroskopianläggningen, forskarna använde ett avancerat transmissionselektronmikroskop (TEM) för att visualisera provet med ultrahög upplösning. Jämfört med röntgenstudierna, TEM kan bara undersöka ett mycket mindre område av provet och är därför mindre statistiskt tillförlitligt över hela provet, men i sin tur, data är mycket mer detaljerade och visuellt intuitiva.

Genom att kombinera data som samlats in i alla de olika anläggningarna, forskarna kunde bekräfta att valensgradienten spelade en avgörande roll för batteriets prestanda. Valensgradienten "gömde" de mer kapacitiva men mindre stabila nickelregionerna i mitten av materialet, exponerar endast det mer strukturellt sunda nickel vid ytan. Detta viktiga arrangemang undertryckte bildandet av sprickor.

Forskarna säger att detta arbete belyser den positiva inverkan koncentrationsgradientmaterial kan ha på batteriets prestanda samtidigt som de erbjuder en ny, kompletterande tillvägagångssätt för att stabilisera katodmaterial med hög nickelhalt genom valensgradienten.

"Dessa fynd ger oss mycket viktig vägledning för framtida nya materialsyntes och design av katodmaterial, som vi kommer att tillämpa i våra studier framöver, " sa Lin.