En forskargrupp bestående av National Institute for Materials Science (NIMS) och SoftBank Corp. har funnit att spänningshysteres i Li2 RuO3 — Ett laddningsbart batterikatodmaterial med hög energidensitet — orsakas av skillnader i de mellanliggande kristallina faserna som bildas under laddnings- och urladdningsprocesser. Studien publiceras i Energy Storage Materials .
Spänningshysteres är ett fenomen som är skadligt för litium(Li)-jonbatterier där urladdningsspänningen blir betydligt lägre än laddningsspänningen. Dessa resultat avslöjade en spänningshysteres-orsakande mekanism som inte överensstämmer med konventionell teori.
Li-rika elektrodmaterial kan lagra större mängder Li-joner än konventionella Li-ion-batterikatodmaterial (t.ex. LiCoO2 ), och Li-joner kan stabilt extraheras från och infogas i dem. Dessutom är energikapaciteten för dessa material (> 300 mAh/g) ungefär dubbelt så stor som för konventionella katodmaterial.
På grund av dessa önskvärda egenskaper har Li-rika elektrodmaterial undersökts som livskraftiga kandidater för nästa generations, högenergi-densitet Li-ion batteri katodmaterial. De har dock också en nackdel:Dålig energieffektivitet för laddning/urladdning på grund av stor spänningshysteres som uppstår under laddning och urladdning.
Det har blivit allmänt accepterat av det vetenskapliga samfundet att spänningshysteres i Li-rika elektrodmaterial är resultatet av irreversibla förändringar i deras kristallina strukturer under laddning och urladdning. Detta forskarteam fokuserade på Li2 RuO3 som modell av Li-rikt elektrodmaterial och noggrant observerade förändringar i dess kristallina struktur medan det laddades och laddades ur.
Dess kristallina struktur visade sig förändras reversibelt, inte irreversibelt - den återställde sin initiala kristallina förladdningsstruktur i slutet av den efterföljande urladdningen. Under denna laddnings-/urladdningscykel observerades spänningshysteres i Li2 RuO3 trots frånvaron av irreversibla förändringar i kristallina strukturer – ett resultat som strider mot konventionell teori.
Teamet analyserade sedan noggrant kristallina strukturförändringar i en Li2 RuO3 elektroden medan den laddades och laddades ur med hjälp av olika avancerade analysinstrument. Dessa analyser avslöjade en diskrepans i den mellanliggande kristallfasen som bildades under laddnings- och urladdningsprocesserna som orsakade spänningshysteresen. Med andra ord verkar spänningshysteres i ett Li-rikt elektrodmaterial tillskrivas olika reaktionsvägar snarare än irreversibla förändringar i kristallina strukturer.
Baserat på dessa resultat planerar forskargruppen att utvärdera Li-rika elektrodmaterial samtidigt som de fokuserar på kemiska reaktionsvägar under laddnings- och urladdningscykler förutom att mäta spänningshysteres. Detta tillvägagångssätt förväntas påskynda utvecklingen av Li-rika elektrodmaterial som kommer att tillfredsställa både hög kapacitet och höga energieffektivitetskrav för laddning/urladdning.
Mer information: Marcela Calpa et al, Spänningshysteres dold i en asymmetrisk reaktionsväg, Energy Storage Materials (2023). DOI:10.1016/j.ensm.2023.103051
Tillhandahålls av National Institute for Materials Science
