Figur som beskriver de strukturella och morfologiska egenskaperna hos de två oxifluoriderna som forskarna syftade. Kredit:Ji et al.
På senare år har litiumbaserade batterier har blivit mycket använda för att driva ett brett utbud av elektroniska enheter, inklusive surfplattor, smarta telefoner och bärbara datorer. Dessa batterier har olika fack, kallas celler, som var och en innehåller en positiv elektrod och en negativ elektrod åtskilda av en kemikalie känd som en elektrolyt.
Positiva elektroder är vanligtvis sammansatta av litiumföreningar, som LiCoO 2 eller LiFePO 4 , medan negativa elektroder vanligtvis är gjorda av kol. Elektrolyten som separerar dem, å andra sidan, kan tillverkas av en mängd olika kemiska ämnen.
Mot bakgrund av den snabba ökningen av användningen av litiumjonbatterier, Forskare över hela världen har försökt identifiera material som kan öka deras effektivitet och prestanda. Helst dessa material bör innehålla grundämnen som finns i överflöd på planeten och har en hög energitäthet.
Forskare vid University of California Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory har nyligen introducerat en ny strategi för att designa elektrodmaterial för litiumbaserade batterier med en anmärkningsvärt hög effekt och energitäthet. Denna strategi, beskrivs i en tidning publicerad i Naturenergi , innebär användning av två bulkoxifluorider med en partiell spinellliknande ordning, nämligen Li 1,68 Mn 1.6 O 3.7 F 0,3 och Li 1,68 Mn 1.6 O 3.4 F 0,6 . Forskarna syntetiserade dessa två oxifluorider med en teknik som kallas mekanokemisk legering.
"Vi visar att en kombination av en partiell spinellliknande katjonordning och ett betydande litiumöverskott möjliggör både tät och snabb energilagring, " skrev forskarna i sin uppsats. "Katjonöverstökiometri och den resulterande partiella ordningen används för att eliminera de fasövergångar som är typiska för ordnade spineller och möjliggöra en större praktisk kapacitet, medan litiumöverskott används synergistiskt med fluorsubstitution för att skapa en hög litiumrörlighet."
Metoden för att designa katodmaterial som introducerats av forskarna har hittills visat sig vara mycket lovande. I en serie preliminära experiment, de resulterande katoderna uppnådde anmärkningsvärda energier på över 1, 100 Wh kg -1 , urladdningshastigheter upp till 20 A g -1 och en kapacitet över 360 mA h g -1 , , vilket är bland de högsta rapporterade hittills. Dessutom, en stor del av denna kapacitet bibehölls över tiden, även när batterierna laddats upp flera gånger.
Intressant, nästan hälften av kapaciteten härrörde från en process som kallas syreredox (dvs. oxidation reduktion). Även om detta fenomen har undersökts i stor omfattning i Li-rika skiktade Ni-Mn-Co-oxider eller i oordnade bergsalter, det har sällan observerats i katoder av spinelltyp som de som syntetiserats av forskarna.
I sina experiment, forskarna kunde också optimera katjonöverstökometri och Li-överskott, två kemiska egenskaper som kan hjälpa till att trimma strukturen hos elektrodmaterial. Detta gjorde det möjligt för dem att uppnå ett antal önskvärda katodegenskaper såsom snabb Li-transportkinetik och utmärkta spänningsprofiler.
I framtiden, designstrategin skulle kunna fungera som en riktlinje för realisering av katodmaterial för litiumbaserade batterier med hög effekt och energitäthet. Dessutom, de två oxifluoriderna som syntetiserades i deras studie skulle kunna användas för att skapa nya, högpresterande batterier.
© 2020 Science X Network
