Nya material kan avsevärt förbättra lagringskapaciteten och cykelstabiliteten för uppladdningsbara batterier. Bland dessa material finns högentropioxider (HEO), vars stabilitet beror på en oordnad fördelning av elementen. med HEO, elektrokemiska egenskaper kan skräddarsys, som upptäcktes av forskare från teamet av nanoteknikexperten Horst Hahn vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Forskarna rapporterar sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

Hållbar energiförsörjning kräver pålitliga lagringssystem. Efterfrågan på laddningsbara elektrokemiska energilagringsenheter för både stationära och mobila applikationer har ökat snabbt under de senaste åren och förväntas fortsätta att växa i framtiden. Bland de viktigaste egenskaperna hos batterier är deras lagringskapacitet och deras cyklingsstabilitet, dvs antalet möjliga laddnings- och urladdningsprocesser utan någon förlust av kapacitet. Tack vare sin höga stabilitet, en helt ny klass av material som kallas högentropioxider (HEO) förväntas resultera i stora förbättringar. Dessutom, elektrokemiska egenskaper hos HEO kan anpassas genom att variera deras sammansättningar. För första gången, forskare från KIT:s Institute of Nanotechnology (INT) och Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF), av Helmholtz Institute Ulm (HIU) som upprättats gemensamt av KIT och Ulm University, och från Indian Institute of Technology i Madras har nu visat lämpligheten av HEO som omvandlingsmaterial för reversibel litiumlagring. Omvandlingsbatterier baserade på elektrokemisk materialomvandling möjliggör en ökning av den lagrade mängden energi, medan batterivikten reduceras. Forskarna använde HEO för att producera konverteringsbaserade elektroder som klarade mer än 500 laddningscykler utan någon betydande försämring av kapaciteten.

Nanostrukturerade material-gruppen av professor Horst Hahn, Direktör för KIT:s INT, är bland pionjärerna inom forskning om högentropioxider. Forskarna publicerade flera av de fortfarande sällsynta publikationerna om dessa nya material som bara har varit kända i några år. De speciella egenskaperna hos HEO är resultatet av entropistabilisering. Detta gör dem jämförbara med de redan mer kända högentropilegeringarna. Entropi-stabiliserad HEO är komplexa oxider som innehåller fem eller flera olika metallkatjoner av samma mängd och som uppvisar en enfasig kristallstruktur. Även om typiska kristallstrukturer för elementen skiljer sig avsevärt, de bildar ett gemensamt gitter och fördelar sig till positionerna i kristallen utan någon uppenbar ordning. Denna störning, även kallad hög entropi, stabiliserar materialet, förmodligen för att det försämrar migration av defekter i gittret.

"Tack vare den höga stabiliteten, växelverkan mellan de olika metallkatjonerna, och det höga antalet möjliga elementkombinationer, HEO öppnar för otänkbara möjligheter, " säger professor Horst Hahn. Studien presenteras i Naturkommunikation koncentrerad på HEO baserad på övergångsmetaller (TM-HEO), som kännetecknas av hög litiumjonledningsförmåga. Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM), forskarna studerade strukturen hos TM-HEO och dess inverkan på omvandlingsreaktionen. De fann att borttagning av ett element bara minskar entropin och påverkar cykelstabiliteten negativt. Varje enskilt element påverkar det elektrokemiska beteendet hos TM-HEO, så att materialen kan skräddarsys för olika applikationer. Resultatet är ett modulärt tillvägagångssätt för systematisk utveckling av elektrodmaterial. "Vår studie har visat att entropistabiliserad HEO avsevärt skiljer sig från klassiskt omvandlingsmaterial, " säger Horst Hahn. "För att öppna upp sin fulla potential för energilagringstillämpningar, dock, ytterligare forskning behövs."