Syre som frigörs från batterimaterial som kan orsaka termisk rusning. Kredit:Takashi Nakamura
En forskargrupp har tagit fram nya insikter om frisättningen av syre i litiumjonbatterier, banar väg för mer robusta och säkrare batterier med hög energidensitet.
Nästa generations batterier som lagrar mer energi är avgörande om samhället ska nå FN:s hållbara utvecklingsmål och förverkliga koldioxidneutralitet. Dock, ju högre energitäthet, desto högre är sannolikheten för termisk rusning – överhettning av batterier som ibland kan leda till att ett batteri exploderar.
Syre som frigörs från katodaktivt material är en utlösande faktor för termisk flykt, ändå är vår kunskap om denna process otillräcklig.
Forskare från Tohoku University och Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) undersökte syrefrigöringsbeteendet och relaterade strukturella förändringar av katodmaterial för litiumjonbatterier LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM111). NCM111 fungerade som ett modelloxidbaserat batterimaterial genom coulometrisk titrering och röntgendiffraktioner.
Forskarna upptäckte att NCM111 accepterar 5 mol% syrefrisättning utan att sönderfalla och att syrefrisättning inducerade strukturella störningar, utbytet av Li och Ni.
När syre frigörs, det minskar övergångsmetallerna (Ni, Co och Mn i NCM111), minska deras förmåga att hålla en balanserad laddning i materialen.
För att utvärdera detta, forskargruppen använde mjukröntgenabsorptionsspektroskopi vid BL27SU SPring-8 - en JASRI-driven storskalig synkrotronstrålningsanläggning i Japan.
De observerade selektiv Ni 3+ minskning av NCM111 i början av syrefrisättning. Efter att Ni-reduktionen avslutats, Co 3+ minskat, medan Mn 4+ förblev invariant under 5 mol% syrefrisättning.
"Reduktionsbeteendena tyder starkt på att hög valent NI (Ni 3+ ) ökar syrefrisättningen avsevärt, " sa Takashi Nakamura, medförfattare till tidningen.
För att testa denna hypotes, Nakamura och hans kollegor förberedde modifierad NCM111 innehållande mer Ni 3+ än den ursprungliga NCM111. Till deras förvåning, de upptäckte att NCM111 uppvisade mycket allvarligare syrefrisättning än förväntat.
Baserat på det här, forskargruppen föreslog att de högvalenta övergångsmetallerna destabiliserar gittersyre i oxidbaserade batterimaterial.
"Våra resultat kommer att bidra till den fortsatta utvecklingen av hög energitäthet och robusta nästa generations batterier sammansatta av övergångsmetalloxider, sa Nakamura.
