Karakterisering av den färdigställda NCNO. Kredit:Pete Barnes et al, Nature Materials (2022). DOI:10.1038/s41563-022-01242-0
Forskare vid Boise State University har utvecklat en ny metod för att tillverka nya litiumjonbatterimaterial. Med utgångspunkt från en amorf (dvs ett material som saknar långdistansordning) nioboxid upptäckte teamet att själva handlingen att cykla materialet med litium inducerar en omvandling till en ny kristallin Nb2 O5 anod med exceptionell Li-lagring och snabb cykling. Denna process kan potentiellt användas för att tillverka andra litiumjonbatterimaterial som inte enkelt kan tillverkas på traditionellt sätt.
Studien, gemensamt ledd av forskare i laboratoriet av Hui (Claire) Xiong, professor i materialvetenskap och teknik vid Boise State University, och Shyue Ping Ong, professor i nanoteknik vid University of California San Diego, publicerades i Naturmaterial .
Upptäckten av nya material för litiumjonbatterier har blivit brådskande på nytt. På grund av stigande gaspriser har det skett en ökning i efterfrågan på elfordon (EV), och därmed för litiumjonbatterierna som driver dem. Men dagens litiumjonbatterier är fortfarande för dyra och laddas för långsamt.
"Lithium-ion-batterier är den ledande tekniken för laddningsbara batterier, men det finns också en ökning i efterfrågan på att batteriet ska ha hög energi och snabbare laddningstider", säger Pete Barnes, Ph.D. alumn från Xiongs elektrokemiska energimateriallab vid Micron School of Materials Science and Engineering och huvudförfattaren till arbetet. "Om du vill ladda din elbil i 15 minuter och sedan ge dig ut på vägen de kommande 200 eller 300 milen, behöver du nya batterielektroder som kan laddas i mycket snabb takt utan större prestandaförlust."
Bland en av de största flaskhalsarna för laddning i dagens litiumjonbatterier är anoden. Den vanligaste anoden är gjord av grafit, som är mycket energität, men som inte kan laddas för snabbt på grund av risken för brand och explosioner från en process som kallas litiummetallplätering. Interkalationsmetalloxider, som bergsaltet Nb2 O5 material som upptäckts av teamet, är lovande anodalternativ på grund av den minskade risken för litiumplätering vid låga spänningar.
För att skapa det nya anodmaterialet utvecklade Xiongs grupp en innovativ ny teknik som kallas elektrokemiskt inducerad amorf-till-kristallin transformation. Den nya elektroden kan uppnå hög litiumlagring på 269 mAh/g vid en laddningshastighet på 20 mA/g, och ännu viktigare, fortsätter att behålla en hög kapacitet på 191 mAh/g vid en hög laddningshastighet på 1 A/g.
"Den mest spännande aspekten av detta arbete är upptäckten av ett helt nytt tillvägagångssätt för att skapa nya litiumjonbatterielektroder," sa Xiong. "Knepet är att utgå från en högre energifas, till exempel ett amorft material. Bara att cykla materialet med litium gör att vi kan skapa nya kristallina arrangemang som uppvisar förbättrade egenskaper utöver de som görs på traditionella sätt som reaktioner i fast tillstånd."
Anodens exceptionella hastighetsprestanda beror på dess oordnade stensalt- eller DRX-struktur, som är som vanligt köksbordssalt men med Li- och Nb-atomerna ordnade på ett slumpmässigt sätt. Medan DRX-katodmaterial är välkända, är DRX-anoder relativt sällsynta. Med hjälp av beräkningstekniker, Yunxing Zuo, en Ph.D. alumn från Ongs Materials Virtual Lab vid UC San Diego, visade att processen att infoga Li i amorf Nb2 O5 ger materialforskare tillgång till metastabilt material. Teamet utvecklade också ett mått för att identifiera andra metalloxider som potentiellt kan syntetiseras på liknande sätt. Beräkningarna visar också att DRX-strukturen innehåller vägar för snabb litiumdiffusion, vilket resulterar i hög prestanda.
"Vi tror att det här arbetet bara är början på ett helt nytt sätt att tänka på materialsyntes", säger Ong. "Atomer gillar att ordna sig på vissa sätt. När vi gör material på traditionellt sätt får vi vanligtvis samma arrangemang om och om igen. Detta nya tillvägagångssätt öppnar en lovande väg för att skapa andra okonventionella metalloxider."
Teamet samarbetade också med Drs. Sungsik Lee, Justin Connell, Hua Zhou och Yuzi Liu från Argonne National Laboratory, Profs. Paul Davis, Paul Simmonds och Dr. Darin Schwartz från Boise State, och Drs. Yingge Du och Zihua Zhu från Pacific Northwest National Laboratory. + Utforska vidare
