Tre katoder tillverkades:en standardbar en (vänster), en belagd med ett lager av BaTiO 3 (mitten), och en belagd med flera BaTiO 3 nanoprickar (höger). Den med nanodotterna uppvisade kraftigt förbättrad prestanda. Kredit:Nano Letters
Forskare vid Tokyo Tech och Okayama University har avsevärt förbättrat LiCoOs prestanda 2 katoder i litiumjonbatterier genom att dekorera dem med BaTiO 3 nanoprickar. Viktigast, de klargjorde mekanismen bakom de uppmätta resultaten, slutsatsen att BaTiO 3 nanodots skapar ett speciellt gränssnitt genom vilket Li-joner lätt kan cirkulera, även vid mycket höga laddnings-/urladdningshastigheter.
I dag, moderna framsteg inom elektriska apparater och fordon har skapat behovet av förbättrade batterier när det gäller stabilitet, Laddnings Förmåga, och laddningshastigheter. Även om Li-ion-batterier (LIB) har visat sig vara mycket användbara, det är inte möjligt att ladda dem tillräckligt snabbt med höga strömmar utan att stöta på problem som plötsliga minskningar i cyklerbarhet och uteffekt på grund av deras inneboende höga motstånd och oönskade sidoreaktioner.
De negativa effekterna av sådana oönskade reaktioner hindrar LIB:s som använder LiCoO 2 (LCO) som katodmaterial. En av dem handlar om upplösningen av Co 4 + joner in i batteriets elektrolytlösning under laddnings-/urladdningscykler. En annan effekt är bildandet av ett fast elektrolytgränssnitt mellan det aktiva materialet och elektroden i dessa batterier, som hindrar Li-jonernas rörelse och därmed försämrar prestandan.
I en tidigare studie, forskare rapporterade att man använder material med en hög dielektricitetskonstant, såsom BaTiO 3 (BTO) förbättrade höghastighetsprestandan hos LCO-katoder. Dock, mekanismen bakom de observerade förbättringarna var oklar. För att belysa detta lovande tillvägagångssätt, ett team av forskare från Tokyo Tech, ledd av Prof. Mitsuru Itoh, Dr. Shintaro Yasui och Mr. Sou Yasuhara, studerade LCO-katoder med BTO applicerad på olika sätt för att ta reda på vad som hände vid BTO-LCO-gränssnittet mer i detalj.
BaTiO 3 nanodots koncentrerar elektrisk ström i en ring runt dem och skapar banor genom vilka Li-joner kan passera, även vid riktigt höga laddnings-/urladdningshastigheter. Kredit:Nano Letters
Teamet skapade tre LCO-katoder:en blottad, en belagd med ett lager av BTO, och en täckt med BTO nanodots (Figur 1). Teamet modellerade också en LCO-katod med en enda BTO-nanodot och förutspådde att strömtätheten nära kanten på BTO-nanodoten var mycket hög. Detta speciella område kallas trippelfasgränssnittet (BTO-LCO-elektrolyt), och dess existens förbättrade avsevärt den elektriska prestandan hos katoden täckt med mikroskopiska BTO nanodots.
Som förväntat, efter att ha testat och jämfört de tre katoderna de förberedde, teamet fann att den med ett lager av BTO-punkter uppvisade en mycket bättre prestanda, både vad gäller stabilitet och utsläppskapacitet. "Våra resultat visar tydligt att dekoration med BTO nanodots spelar en viktig roll för att förbättra cykelbarheten och minska motståndet, " konstaterar Itoh. Insåg att BTO-punkterna hade en avgörande effekt på rörligheten hos Li-joner i katoden, teamet letade efter en förklaring.
Efter att ha undersökt deras mätresultat, teamet drog slutsatsen att BTO nanodots skapar vägar genom vilka Li-joner enkelt kan interkalera/de-intercalate, även vid mycket höga laddnings-/urladdningshastigheter (Figur 2). Detta beror på att det elektriska fältet koncentreras kring material med en hög dielektricitetskonstant. Dessutom, bildandet av ett fast elektrolytgränssnitt undertrycks kraftigt nära trippelfasgränssnittet, vilket annars skulle resultera i dålig cyklbarhet. "Mekanismen genom vilken bildandet av ett fast elektrolytgränssnitt hämmas nära trippelfasgränssnittet är fortfarande oklart, " anmärker Itoh.
Även om mycket forskning om detta ämne återstår att göra, resultaten är lovande och antyder ett nytt sätt att avsevärt förbättra LIBs. Detta kan vara ett viktigt steg för att möta kraven från moderna och framtida enheter.
