Som efterfrågan på smartphones, elektriska fordon, och förnybar energi fortsätter att stiga, forskare söker efter sätt att förbättra litiumjonbatterier-den vanligaste typen av batterier som finns i hemelektronik och en lovande lösning för energilagring i nät. Att öka energitätheten för litiumjonbatterier kan underlätta utvecklingen av avancerad teknik med långvariga batterier, liksom den utbredda användningen av vind- och solenergi. Nu, forskare har gjort betydande framsteg för att uppnå det målet.

Ett samarbete som leds av forskare vid University of Maryland (UMD), U.S.Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, och U.S. Army Research Lab har utvecklat och studerat ett nytt katodmaterial som kan tredubbla energitätheten för litiumjonbatterielektroder. Deras forskning publicerades den 13 juni i Naturkommunikation .

"Litiumjonbatterier består av en anod och en katod, "sa Xiulin Fan, en forskare vid UMD och en av huvudförfattarna till uppsatsen. "Jämfört med den stora kapaciteten hos de kommersiella grafitanoder som används i litiumjonbatterier, katodernas kapacitet är mycket mer begränsad. Katodmaterial är alltid flaskhalsen för att ytterligare förbättra energitätheten för litiumjonbatterier. "

Forskare vid UMD syntetiserade ett nytt katodmaterial, en modifierad och konstruerad form av järntrifluorid (FeF3), som består av kostnadseffektiva och miljömässigt godartade element-järn och fluor. Forskare har varit intresserade av att använda kemiska föreningar som FeF3 i litiumjonbatterier eftersom de erbjuder inneboende högre kapacitet än traditionella katodmaterial.

"De material som normalt används i litiumjonbatterier är baserade på interkalkationskemi, "sade Enyuan Hu, en kemist på Brookhaven och en av huvudförfattarna till tidningen. "Denna typ av kemisk reaktion är mycket effektiv, men den överför bara en enda elektron, så katodkapaciteten är begränsad. Vissa föreningar som FeF3 kan överföra flera elektroner genom en mer komplex reaktionsmekanism, kallas en konverteringsreaktion. "

Trots FeF3:s potential att öka katodkapaciteten, föreningen har historiskt sett inte fungerat bra i litiumjonbatterier på grund av tre komplikationer med dess omvandlingsreaktion:dålig energieffektivitet (hysteres), en långsam reaktionshastighet, och sidreaktioner som kan orsaka dåligt cykelliv. För att övervinna dessa utmaningar, forskarna lade kobolt och syreatomer till FeF3 nanoroder genom en process som kallas kemisk substitution. Detta gjorde det möjligt för forskarna att manipulera reaktionsvägen och göra den mer "reversibel".

"När litiumjoner sätts in i FeF3, materialet omvandlas till järn och litiumfluorid, "sa Sooyeon Hwang, en medförfattare till tidningen och en forskare vid Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Dock, reaktionen är inte helt reversibel. Efter att ha ersatt kobolt och syre, katodmaterialets huvudramar bibehålls bättre och reaktionen blir mer reversibel. "

För att undersöka reaktionsvägen, forskarna genomförde flera experiment på CFN och National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-två DOE Office of Science User Facilities på Brookhaven.

Först på CFN, forskarna använde en kraftfull elektronstråle för att titta på FeF3 -nanoroderna med en upplösning på 0,1 nanometer - en teknik som kallas transmissionselektronmikroskopi (TEM). TEM-experimentet gjorde det möjligt för forskarna att bestämma den exakta storleken på nanopartiklarna i katodstrukturen och analysera hur strukturen förändrades mellan olika faser av laddningsurladdningsprocessen. De såg en snabbare reaktionshastighet för de substituerade nanoroderna.

"TEM är ett kraftfullt verktyg för att karakterisera material i mycket små längder, och den kan också undersöka reaktionsprocessen i realtid, "sa Dong Su, en forskare vid CFN och en motsvarande författare till studien. "Dock, vi kan bara se ett mycket begränsat område av provet med hjälp av TEM. Vi behövde förlita oss på synkrotronteknikerna vid NSLS-II för att förstå hur hela batteriet fungerar. "

Vid NSLS-II:s röntgenpulverdiffraktion (XPD) strållinje, forskare riktade ultraljusa röntgenstrålar genom katodmaterialet. Genom att analysera hur ljuset sprids, forskarna kunde "se" ytterligare information om materialets struktur.

"På XPD, vi utförde mätningar av parfördelningsfunktioner (PDF), som kan upptäcka lokala järnbeställningar över en stor volym, "sa Jianming Bai, medförfattare till tidningen och forskare vid NSLS-II. "PDF -analysen på de urladdade katoderna avslöjade tydligt att den kemiska substitutionen främjar elektrokemisk reversibilitet."

Att kombinera mycket avancerade bild- och mikroskopitekniker vid CFN och NSLS-II var ett kritiskt steg för att bedöma katodmaterialets funktionalitet.

"Vi utförde också avancerade beräkningsmetoder baserade på densitetsfunktionell teori för att dechiffrera reaktionsmekanismen i atomskala, "sa Xiao Ji, en forskare vid UMD och medförfattare till tidningen. "Detta tillvägagångssätt avslöjade att kemisk substitution flyttade reaktionen till ett mycket reversibelt tillstånd genom att minska partikelstorleken på järn och stabilisera rocksaltfasen." Forskare vid UMD säger att denna forskningsstrategi kan tillämpas på andra högenergiomvandlingsmaterial, och framtida studier kan använda metoden för att förbättra andra batterisystem.