Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har en lång historia av banbrytande upptäckter med litiumjonbatterier. Många av dessa upptäckter har fokuserat på en batterikatod känd som NMC, en nickel-mangan-koboltoxid. Batterier med denna katod driver nu Chevy Bolt.

Argonne-forskare har gjort ytterligare ett genombrott med NMC-katoden. Teamets nya struktur för katodens partiklar i mikrostorlek kan leda till längre livslängd och säkrare batterier som kan fungera vid mycket hög spänning och driva fordon för längre körsträckor. En artikel om denna forskning publicerades i Nature Energy .

"Den nuvarande NMC-katoden har utgjort ett stort hinder för drift vid högspänning", säger Guiliang Xu, biträdande kemist. Med laddnings-urladdningscykler minskar prestandan snabbt på grund av att det bildas sprickor i katodpartiklarna. I flera decennier har batteriforskare sökt sätt att eliminera dessa sprickor.

Ett tidigare tillvägagångssätt involverade sfäriska partiklar i mikroskala bestående av många mycket mindre partiklar. De stora sfäriska partiklarna är polykristallina, med olika orienterade kristallina områden. Som ett resultat har de vad forskare refererar till som korngränser mellan partiklar, vilket orsakar sprickor vid battericykling. För att förhindra detta hade Xu och Argonne kollegor tidigare utvecklat en skyddande polymerbeläggning runt varje partikel. Denna beläggning omger de stora sfäriska partiklarna och de mindre partiklarna inuti dem.

Ett annat tillvägagångssätt för att undvika denna sprickbildning involverar enkristallpartiklar. Elektronmikroskopi av dessa partiklar visade att de inte har några gränser.

Problemet som teamet stod inför var att katoder gjorda av både belagda polykristaller och enkelkristaller fortfarande bildade sprickor under cykling. Så de utsatte dessa katodmaterial för omfattande analyser vid Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanoscale Materials (CNM), DOE Office of Sciences användaranläggningar i Argonne.

Olika röntgenanalyser utfördes vid fem APS-strållinjer (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C och 34-ID-E). Det visade sig att vad forskare hade trott var enkristaller, vilket framgår av elektron- och röntgenmikroskopi, faktiskt hade gränser inuti. Scannings- och transmissionselektronmikroskoper vid CNM verifierade fyndet.

"När vi tittar på ytmorfologin hos dessa partiklar ser de ut som enkristaller", säger fysikern Wenjun Liu. "Men när vi använder en teknik som kallas synkrotronröntgendiffraktionsmikroskopi och andra tekniker vid APS, hittar vi gränser som gömmer sig inuti."

Viktigt är att teamet utvecklade en metod för att producera gränsfria enkristaller. Testning av små celler med sådana enkristallkatoder vid mycket hög spänning visade en ökning på 25 % i energilagring per volymenhet, med nästan ingen prestandaförlust under 100 testcykler. Däremot minskade kapaciteten under samma livslängd med 60 % till 88 % i NMC-katoder som består av enkristaller med många inre gränser eller med belagda polykristaller.

Beräkningar på atomär skala avslöjade mekanismen bakom kapacitetsminskningen i katoden. Enligt nanoforskaren Maria Chan vid CNM, jämfört med regionerna borta från dem, är gränser mer sårbara för förlust av syreatomer när batteriet laddas. Denna syreförlust leder till nedbrytning med cellcykling.

"Våra beräkningar visade hur gränser leder till syrefrisättning vid hög spänning och därför prestandaförsämring," sa Chan.

Att eliminera gränserna förhindrar syrefrigöring och förbättrar därmed katodsäkerheten och stabiliteten vid cykling. Syrefrisättningsmätningar vid APS och Advanced Light Source vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory stödde detta fynd.

"Vi har nu riktlinjer som batteritillverkare kan använda för att förbereda katodmaterial som är gränslöst och fungerar vid hög spänning", säger Khalil Amine, en Argonne Distinguished Fellow. "Och riktlinjerna bör gälla andra katodmaterial förutom NMC." + Utforska vidare

Pivotal batteriupptäckt kan påverka transporter och nätet