Bilder producerade med transmissionselektronmikroskopi verifierade omvandlingen av elektrodmaterialet från ett oordnat arrangemang av atomer (vänster) till en ordnad, kristallin struktur (höger). Kredit:Argonne National Laboratory
Laddning och urladdning av en battericell förvandlar dess elektrodmaterial till ett "super" material.
Under det senaste decenniet har framsteg inom forskning och utveckling lett till effektivare litiumjonbatterier. Ändå kvarstår betydande brister. En utmaning är behovet av snabbare laddning, vilket kan hjälpa till att påskynda införandet av elfordon.
En forskargrupp ledd av Boise State University och University of California San Diego har tagit ett okonventionellt förhållningssätt till detta problem. Med hjälp av resurserna från U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory skapade de ett högpresterande material för batterielektroder. Föreningen, niobpentoxid, har en ny kristallin struktur. Det visar ett löfte om att snabba upp laddningen samtidigt som den ger utmärkt lagringskapacitet.
Teamets studie publicerades i Nature Materials i maj 2022.
Under laddningen rör sig litiumjoner från den positiva elektroden (katoden) till den negativa elektroden (anoden), vanligen gjord av grafit. Vid högre laddningshastigheter tenderar litiummetall att ansamlas på grafitens yta. Denna effekt, känd som plätering, tenderar att försämra prestanda och kan få batterier att kortsluta, överhettas och fatta eld.
Niobpentoxid är mycket mindre känslig för plätering, vilket kan göra det säkrare och mer hållbart än grafit. Dessutom kan dess atomer arrangeras i många olika stabila konfigurationer som inte kräver mycket energi för att omkonfigurera. Detta ger möjligheter för forskare att upptäcka nya strukturer som kan förbättra batteriets prestanda.
För denna studie byggde forskarna en myntcell med niobpentoxid som elektrodmaterial. (En myntcell, även känd som en knappcell, är en liten, cirkulär batterienhet.) Niobpentoxiden hade en amorf struktur – med andra ord ett oordnat arrangemang av atomer. När cellen laddades och laddades ur flera gånger förvandlades den oordnade strukturen till en ordnad, kristallin. Denna speciella struktur hade aldrig tidigare rapporterats i den vetenskapliga litteraturen.
Jämfört med det oordnade arrangemanget möjliggjorde den kristallina strukturen enklare och snabbare transport av litiumjoner in i anoden under laddning. Detta fynd pekar på materialets löfte om snabbladdning, och andra mätningar tyder på att det kan lagra en stor mängd laddning.
Argonne tillhandahåller flera kompletterande verktyg
På grund av de komplexa förändringarna under laddnings-urladdningscykeln behövdes flera kompletterande diagnostiska verktyg för en heltäckande förståelse. Det var där Argonne – och ett par DOE Office of Science-användarfaciliteter vid laboratoriet – kom in.
Yuzi Liu, en vetenskapsman vid Argonnes Center for Nanoscale Materials (CNM), använde en teknik som kallas transmissionselektronmikroskopi för att verifiera den strukturella omvandlingen från amorf till kristallin. Denna teknik skickar högenergielektronstrålar genom ett materialprov. Den skapar digitala bilder baserade på interaktionen mellan elektronerna och provet. Bilderna visar hur atomer är ordnade.
"Eftersom elektronstrålen är fokuserad på ett litet område av provet ger tekniken detaljerad information om just det området", sa Liu.
Hua Zhou, en fysiker i Argonnes Advanced Photon Source (APS), bekräftade den strukturella förändringen med en annan teknik som kallas synkrotronröntgendiffraktion. Detta innebär att man träffar provet med högenergiröntgenstrålar, som sprids av elektronerna från atomerna i materialet. En detektor mäter denna spridning för att karakterisera materialets struktur.
Röntgendiffraktion är effektiv för att tillhandahålla information om övergripande strukturella förändringar över ett helt materialprov. Detta kan vara till hjälp för att studera batterielektrodmaterial eftersom deras strukturer tenderar att variera från ett område till ett annat.
"Genom att träffa anodmaterialet med röntgenstrålar i olika vinklar bekräftade jag att det var jämnt kristallint längs ytan och inuti", sa Zhou.
Forskningen byggde också på andra Argonne-förmågor för att karakterisera material. Justin Connell, en materialforskare vid Argonnes Electrochemical Discovery Laboratory, använde ett verktyg som heter röntgenfotoelektronspektroskopi för att utvärdera anodmaterialet. Connell sköt röntgenstrålar in i anoden och stötte ut elektroner från den med en viss energi.
"Tekniken visade att niobatomer får flera elektroner när cellen laddas", säger Connell. "Detta tyder på att anoden har en hög lagringskapacitet."
Argonne-fysikern Sungsik Lee utvärderade också niobs vinst och förlust av elektroner. Han använde en annan teknik som kallas röntgenabsorptionsspektroskopi. Detta innebar att träffa anodmaterialet med intensiva synkrotronröntgenstrålar och mäta transmissionen och absorptionen av röntgenstrålningen i materialet.
"Tekniken gav en övergripande bild av tillståndet för elektronerna över hela anoden," sa Lee. "Detta bekräftade att niob får flera elektroner."
Argonne är ovanlig eftersom den har alla dessa forskningsmöjligheter på sitt campus. Claire Xiong, studiens huvudutredare, gjorde sin postdoktorala forskning vid Argonnes CNM innan hon började på Boise State-fakulteten som materialvetare. Hon var ganska bekant med Argonnes omfattande kapacitet och hade tidigare samarbetat med Argonne-forskarna som bidrog till studien.
"Anläggningarna och personalen på Argonne är i världsklass", sa Xiong. "Detta arbete för att upptäcka den unika omvandlingen i niobpentoxid gynnades enormt av samarbetet med Argonne-forskare. Det gynnades också av tillgången till APS, Electrochemical Discovery Laboratory och CNM."
Det är mycket svårt att tillverka den högpresterande, kristallina niobpentoxiden med traditionella syntesmetoder, såsom de som utsätter material för värme och tryck. Den okonventionella syntesmetod som användes framgångsrikt i denna studie - laddning och urladdning av en battericell - skulle kunna användas för att göra andra innovativa batterimaterial. Det kan potentiellt till och med stödja tillverkning av nya material inom andra områden, såsom halvledare och katalysatorer. + Utforska vidare
