Dagens litiumjonbatteri uppfanns så länge sedan, det finns inte många fler effektiviteter att vrida ur det. Nu rapporterar forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) stora framsteg i katoder gjorda med så kallade "störda" material, en lovande ny typ av litiumbatteri.

I ett par artiklar som publicerades denna månad i Naturkommunikation och Fysiska granskningsbrev ( PRL ), ett team av forskare under ledning av Gerbrand Ceder har kommit fram till en uppsättning regler för att tillverka nya oordnade material, en process som tidigare hade drivits av trial-and-error. De hittade också ett sätt att införliva fluor, vilket gör materialet både mer stabilt och har högre kapacitet.

"Detta verkar verkligen vara en intressant ny riktning för att göra katoder med hög energitäthet, "sade Ceder, en senior fakultetsforskare vid Berkeley Lab som också har ett möte vid UC Berkeleys institution för materialvetenskap och teknik. "Det är anmärkningsvärt att alla de oordnade bergsalter som folk hittills har hittat har mycket hög batterikapacitet. I PRL -papperet ger vi en riktlinje för hur man mer systematiskt kan göra dessa material."

Fördelarna med störning

Katodmaterialet i litiumbatterier är vanligtvis "beställt, "vilket betyder att litium- och övergångsmetallatomerna är arrangerade i snygga lager, låter litium röra sig in och ut ur lagren. Några år sedan, Ceders grupp upptäckte att vissa typer av stört material kunde lagra ännu mer litium, ger batterier högre kapacitet.

Huvudförfattaren till PRL -tidningen, "Den elektroniska strukturen för katjonstörning i övergångsmetalloxider, "är Alexander Urban, en postdoktor i Berkeley Lab.

"Trots deras attraktiva egenskaper, att upptäcka nya oordnade material har mestadels drivits av trial-and-error och av att förlita sig på mänsklig intuition, ", sa Urban. "Nu har vi för första gången identifierat ett enkelt designkriterium för att förutsäga nya störda kompositioner. Den nya förståelsen etablerar ett samband mellan de kemiska arterna, lokala snedvridningar av kristallstrukturen, och tendensen att bilda störda faser. "

Den andra fördelen med att använda störande material är förmågan att undvika användning av kobolt, en begränsad resurs, med mer än hälften av världens utbud i politiskt instabila länder. Genom att flytta till oordnade bergsalter, batteridesigners kan vara fria att använda ett bredare utbud av kemier. Till exempel, störda material har tillverkats med krom, titan, och molybden.

"Vi vill ha förmågan att få mer kompositionsfrihet, så att vi kan ställa in andra parametrar, "Ceder sa." Det finns så många egenskaper att optimera - spänningen, den långsiktiga stabiliteten, oavsett om det är lätt att syntetisera - det är så mycket som går åt till att ta ett batterimaterial till ett kommersiellt skede. Nu har vi ett recept på hur man gör dessa material. "

Hur och varför fluorera batterier

Ett annat stort framsteg inom litiumjonbatterier rapporteras i Naturkommunikation papper, "Dämpande syreförlust för att förbättra cykelprestanda för katodstörda katodmaterial med hög kapacitet, "vilket visar att störda material kan fluoreras, till skillnad från andra batterimaterial. Fluorisering ger två fördelar:det tillåter mer kapacitet och gör materialet mer stabilt. I ett batteri, den ökade stabiliteten skulle översättas till en enhet med lång livslängd och det är mindre sannolikt att det tar eld.

Tidningens huvudförfattare, Jinhyuk Lee, tidigare forskare i Berkeley Lab, arbetat med forskare vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en källa för röntgenstrålar för vetenskaplig forskning, att genomföra in situ -experiment. "ALS var verkligen viktigt för att förstå mekanismen genom vilken vi får högre kapacitet, "Ceder sa." Det som är riktigt coolt är att du kan titta på batteriet medan det är igång, och titta på katodernas elektroniska struktur. Så du lär dig hur det laddar och laddar ur, vart elektronerna går, vilket är en avgörande aspekt av laddningslagring. "

ALS-forskarna Shawn Sallis och Wanli Yang är medförfattare, liksom Bryan McCloskey från Berkeley Lab. "Hans grupp var avgörande för att visa att dessa material är mer stabila och inte tappar syre, "Sa Ceder.

Nu när de har demonstrerat konceptet, Ceder planerar att följa upp genom att försöka tillsätta ännu mer fluor till materialen.

"Nya katodmaterial är den hetaste riktningen för Li-ion-batterier, " sa Ceder. "Fältet är lite fast. För att få fler förbättringar av energilagring finns det bara några vägar att gå. Det ena är solid state-batterier, och det andra är att fortsätta förbättra energitätheten hos elektrodmaterial. De två utesluter inte varandra. Den här forskningslinjen är definitivt inte uttömd än."