Forskare ledda av ett team från University of California San Diego har publicerat arbete i tidskriften Naturenergi som förklarar vad som orsakar den prestandareducerande "spänningsblekningen" som för närvarande plågar en lovande klass av katodmaterial som kallas litiumrika NMC (nickelmagnesiumkobolt) skiktade oxider.

Dessa katodmaterial har fått stor uppmärksamhet under åren som lovande komponenter för bättre uppladdningsbara batterier för elfordon.

Efter att ett batteri har gått igenom en serie laddnings-urladdningscykler, dess spänning bleknar och mängden energi den kan hålla, och släpp senare för användning, bleknar också. Den nya forskningen förklarar varför detta händer i litiumrika NMC-katodmaterial. Särskilt, forskarna identifierade defekter eller dislokationer i nanoskala i litiumrika NMC-katodmaterial när batterierna laddades med en rad spänningar som går upp till 4,7 volt.

"Dislokationerna är extra atomlager som inte passar in i den annars perfekt periodiska kristallstrukturen, " sa Andrej Singer, huvudförfattaren som utförde detta arbete som postdoktor vid UC San Diego. "Att upptäcka dessa dislokationer var en stor överraskning:om något, vi förväntade oss att de extra atomskikten skulle inträffa i en helt annan orientering, sa Singer, som nu är på fakulteten vid Cornell University. Genom att kombinera experimentella bevis med teori, forskargruppen drog slutsatsen att kärnbildningen av denna specifika typ av dislokation resulterar i spänningsblekning.

Att känna till ursprunget till spänningsblekning, teamet visade att värmebehandling av katodmaterialen eliminerade de flesta defekterna och återställde den ursprungliga spänningen. De satte de värmebehandlade katoderna i nya batterier och testade dem vid en rad spänningar som går upp till 4,7 volt, som visar att spänningsfedningen hade vänts.

Även om värmebehandlingsmetoden för att vända defekterna är arbetsintensiv och sannolikt inte kommer att skala, det fysik- och materialvetenskapsbaserade tillvägagångssättet för att karakterisera och sedan ta itu med nanoskaliga defekter erbjuder ett löfte om att hitta nya lösningar på problemet med spänningsblekning.

"Vårt papper handlar främst om att låsa upp mysteriet med de dislokationer som orsakar spänningsblekning i litiumrika NMC:er. Vi har ännu inte en skalbar lösning för att lösa problemet med spänningsblekning i litiumrika NMC:er, men vi gör framsteg, " sa UC San Diego nanoteknikprofessor Shirley Meng. Hon och UC San Diego fysikprofessor Oleg Shpyrko är seniorförfattarna på den nya Naturenergi papper.

"Ett av de allvarligaste problemen för litiumrika NMC-katodmaterial är spänningsblekning, " sa pappersförfattaren Minghao Zhang, en nyutexaminerad doktor i nanoteknik. program vid UC San Diego Jacobs School of Engineering, där han nu är postdoktor.

Spänningsblekning minskar batteriets energitäthet, vilket i sin tur begränsar de praktiska tillämpningarna av dessa material trots deras höga energitäthet i de initiala laddnings-urladdningscyklerna.

"Vårt arbete för första gången visar tydligt att defektgenerering och defektackumulering i strukturen hos litiumrika NMC-material är orsaken till spänningsblekning, " sa Zhang. "Baserat på denna förklaring, vi designade en värmebehandlingsregim och visade sedan att värmebehandlingarna tog bort defekterna i bulkstrukturen och återställde batteriets utspänning."

Fäst batteridetaljer

"Ingenjörslösningar måste baseras på gedigen vetenskap. Om du inte vet vad som händer, då är dina begränsningsstrategier mindre effektiva. Och jag tror att det är det som har hindrat detta material, " sa Shirley Meng, professor i nanoteknik vid UC San Diego, hänvisar till den långvariga otydligheten om vad som händer på nanoskala som orsakar spänningsfasningen i dessa lovande katodmaterial.

Meng, Shpyrko och deras respektive laboratorier och medarbetare är unikt skickliga på bildbehandling, karakterisera och beräkna vad som händer med batterier, på nanoskala, medan de laddas. Deras kombinerade expertis gör att teamet kan få oöverträffade insikter från röntgenbilder från batterier medan de laddas.

"Att direkt kunna avbilda strukturen hos material och enheter under driftsförhållanden och med upplösning i nanoskala är en av de stora utmaningarna i vår strävan att designa och upptäcka nya funktionella material, ", sade UC San Diego fysikprofessor Oleg Shpyrko. "Vår grupps ansträngningar för att utveckla nya röntgentekniker är inriktade på grundläggande förståelse och slutligen kontroll av defektbildning. Vår in-operando avbildningsstudier indikerar nya sätt att mildra spänningsfading i nästa generations energilagringsmaterial."

Detta samarbete är en del av det tvärvetenskapliga arbetet vid UC San Diego Sustainable Power and Energy Center, där Shirley Meng fungerar som direktör, och Oleg Shpyrko fungerar som meddirektör. Forskningen vid Sustainable Power and Energy Center sträcker sig från teoretisk forskning genom experiment och materialkarakterisering hela vägen till verkliga tester av enheter på campus mikronät.

Forskningsdetaljer

I den Naturenergi papper, författarna skriver:"Vi fångar direkt kärnbildningen av ett dislokationsnätverk i primära nanopartiklar av ett högkapacitets LRLO-material [en litiumrik NMC-katod] under elektrokemisk laddning. Baserat på upptäckten av defektbildning och första principberäkningar, vi identifierar ursprunget till spänningsfedningen, så att vi kan designa och experimentellt demonstrera en innovativ behandling för att återställa spänningen i LRLO."

De på plats Bragg koherent diffraktiv avbildningsteknik, uppträdde på Argonne National Lab, gör det möjligt för forskarna att direkt avbilda det inre av en nanopartikel under batteriladdning. Teamets analyser och rekonstruktioner av dessa data ger oöverträffade insikter om vad som faktiskt händer medan batterierna laddas. Forskarna utförde ett antal observationsstudier medan batterimaterial laddades över en rad spänningar från 4 volt upp till 4,7 volt. Vid 4,4 volt, forskarna identifierade en rad defekter inklusive kant, skruv och blandade dislokationer.

Forskarna studerade också för närvarande kommersialiserade icke-litiumrika NMC-material och fann defekter, men betydligt färre; och inga nya defekter inträffade över 4,2 volt i de icke-litiumrika NMC-materialen.

"Med denna publikation, vi hoppas kunna öppna upp ett nytt paradigm för materialforskare att ompröva hur man designar och optimerar denna klass av material för energilagring. Det kräver fortfarande mycket mer arbete och många bidrag från fältet för att äntligen lösa problemet, " sa Meng. Hon innehar Zable Endowed Chair i Energy Technologies vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Ser till Solid State

Forskningen som beskrivs i Naturenergi papper kan så småningom leda till nya katodmaterial för solid state-batterier. Många forskare, inklusive Meng, anser att solid state-batterier är en av de mest lovande framtida batterimetoderna. Litiumrika NMC-katoder, till exempel, fungerar med hög spänning och kan därför så småningom paras ihop med fasta elektrolyter, som också arbetar med hög spänning. Mycket av intresset för solid state-batterier kommer från det faktum att solid state-elektrolyter tros vara säkrare än de traditionella flytande elektrolyterna som används i uppladdningsbara litiumjonbatterier.