Kredit:Zhu et al.
Litiumrik övergångsmetalloxid (Li 1+X M 1-X O 2 ) katoder har potential att användas i litiumjonbatterier, driva elektroniska enheter och elfordon. Dessa katoder har en hög energitäthet, typiskt över 900 Wh kg -1 , men de kommer för närvarande också med betydande begränsningar.
Det mest avgörande problemet som observerats i de flesta Li-rika katoder är att de frigör syre till elektrolyter, och sålunda, deras spänning avtar medan de används. Denna betydande begränsning har förhindrat deras utbredda användning i flera år.
Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) har nyligen utarbetat en strategi som kan hjälpa till att övervinna detta problem, immunisering av Li-rika oxidkatodpartiklar mot syrefrisättning. Denna nya strategi, beskrivs i en tidning publicerad i Naturenergi , involverar en smältsaltbehandling som eliminerar frigörandet av syre från Li-rika enkristaller till elektrolyter genom att göra ytregionen Li-fattig, samtidigt som det fortfarande möjliggör stabila syreredoxbidrag inuti partiklarna.
"Vårt huvudmål var att utnyttja syrekapaciteten för redoxreaktioner utan att göra de reducerade syrejonerna (dvs. "peroxo" och "superoxo"-liknande) globalt mobila, vilket innebär att de kan fly från katodpartikelytan och reagera med elektrolyten inuti ett batteri, "Ju Li, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore.
De reducerade syrejonerna inuti Li-rika katoder liknar något metall-peroxo- och metall-superoxo-komplex; föreningar genom vilka blod transporterar syre i djur. Peroxo (O - ) och superoxo (O 0,5- ) arter, samtidigt som de bidrar med kapacitet, har mycket högre rörlighet än standard O 2- . I Li 1+X M 1-X O 2 katoder. Dessa syrejoner kan röra sig fritt och slutligen fly från katodpartiklarna, reagerar med och förorenar den flytande elektrolyten.
För att förhindra att detta händer, Li och hans kollegor genomförde en behandling som involverade extraktion av litiumoxid (LiO) med hjälp av smält molybdatsalt vid höga temperaturer. De fann att denna behandling tillåter ytan att få sammansättningen Li 1-X' M 1+X' O 2 utan att störa gitterkontinuiteten eller skapa överflödiga defekter (epitaxial), tar bort peroxo (O - ) och superoxo (O 0,5- ) arter nära ytan, förhindrar de Li-rika enkristallerna från att frigöra syre till elektrolyter.
"Vi utförde en immuniseringsbehandling, så en yta som är cirka 10 nm tjock är utarmad på syre, och skulle därför vara extra stabil vid battericykling, ", sa Li. "Immuniseringsbehandlingen utfördes vid en hög temperatur på 700°C, så när vi extraherar syre och litium reparerar gallret sig självt genom termisk glödgning och går smidigt från Li-rik till Li-fattig, utan ytterligare defekter och utan att förlora den perfekta gitterkoherensen hos den enkristallina partikeln."
Immuniseringsstrategin som utarbetats av Li och hans kollegor påverkar inte metallvalenstillstånden och strukturen av Li-rika kristaller inuti katoden, vilket bibehåller en stabil syreanjon-redox (O 2- ↔O - ) kapacitetsbidrag medan ett batteri är i drift. I tester som utvärderar deras strategi, forskarna fann att det resulterade i en gradient hybrid anjon- och katjon-redox (HACR) katod med en specifik densitet eller 843 Wh kg -1 efter 200 cykler vid 0,2C och 808 Wh kg -1 efter 100 cykler vid 1C, med ett minimum av syreutsläpp och därmed lägre förbrukning av elektrolyten i batteriet.
"Vår studie visar att det är möjligt att cykla en batterifull cell med mycket liten mängd elektrolyt (industriell nivå på 2g (elektrolyt)/Ah), indikerar att vi har stoppat syreförlusten samtidigt som vi utnyttjar syrets redoxkapacitet, " Sa Li. "Detta så kallade "solid oxygen" batterikoncept har potential att fördubbla energitätheten hos katoder."
Genom att minska syrefrisättningen som vanligtvis observeras i Li-rika katoder, strategin som utarbetats av Li och hans kollegor kan så småningom underlätta kommersialisering och utbredd användning av litiumbaserade batterier som drivs av dessa katoder. Intressant, immuniseringsbehandlingen som beskrivs i deras studie kan också tillämpas på andra element, hjälper till att undertrycka eller förhindra oväntade ytreaktioner i batterier. I sina nästa studier, forskarna planerar att skala upp syntesen i det Li-rika katodbaserade batteriet och ytterligare förbättra den komprimerade densiteten hos HACR-katoder.
© 2020 Science X Network
