De lithium-ionbatterij van vandaag is zo lang geleden uitgevonden, er zijn niet veel meer efficiënties om uit te wringen. Nu rapporteren onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) grote vooruitgang in kathodes gemaakt met zogenaamde "wanordelijke" materialen, een veelbelovend nieuw type lithiumbatterij.

In een paar artikelen die deze maand zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie en Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ), een team van wetenschappers onder leiding van Gerbrand Ceder heeft een set regels bedacht voor het maken van nieuwe ongeordende materialen, een proces dat voorheen met vallen en opstaan ​​werd aangestuurd. Ze vonden ook een manier om fluor op te nemen, wat het materiaal zowel stabieler maakt als een hogere capaciteit heeft.

"Dit lijkt echt een interessante nieuwe richting te zijn voor het maken van kathoden met hoge energiedichtheid, " zei Ceder, een Senior Faculty Scientist bij Berkeley Lab die ook een aanstelling heeft bij de afdeling Materials Science and Engineering van UC Berkeley. "Het is opmerkelijk dat alle ongeordende steenzouten die mensen tot nu toe hebben bedacht een zeer hoge batterijcapaciteit hebben. In de PRL-paper geven we een richtlijn om deze materialen systematischer te maken."

De voordelen van wanorde

Het kathodemateriaal in lithiumbatterijen wordt meestal "besteld, " wat betekent dat de lithium- en overgangsmetaalatomen in nette lagen zijn gerangschikt, waardoor lithium in en uit de lagen kan bewegen. Een paar jaar geleden, Ceders groep ontdekte dat bepaalde soorten ongeordend materiaal nog meer lithium konden opslaan, batterijen een hogere capaciteit geven.

De hoofdauteur van de PRL-paper, "De elektronische structuur oorsprong van kationenstoornis in overgangsmetaaloxiden, " is Alexander Urbanus, een postdoctoraal onderzoeker van Berkeley Lab.

"Ondanks hun aantrekkelijke eigenschappen, het ontdekken van nieuwe ongeordende materialen is meestal gedreven door vallen en opstaan ​​en door te vertrouwen op menselijke intuïtie, " zei Urban. "Nu hebben we voor het eerst een eenvoudig ontwerpcriterium geïdentificeerd om nieuwe ongeordende composities te voorspellen. Het nieuwe begrip legt een verband tussen de chemische soorten, lokale vervormingen van de kristalstructuur, en de neiging om wanordelijke fasen te vormen."

Het andere voordeel van het gebruik van ongeordende materialen is de mogelijkheid om het gebruik van kobalt, een beperkte bron, met meer dan de helft van de wereldvoorraad in politiek instabiele landen. Door over te gaan op ongeordend steenzout, batterijontwerpers zouden vrij kunnen zijn om een ​​breder scala aan chemicaliën te gebruiken. Bijvoorbeeld, ongeordende materialen zijn gemaakt met chroom, titanium, en molybdeen.

"We willen de mogelijkheid om meer compositievrijheid te hebben, zodat we andere parameters kunnen afstemmen, Ceder zei. "Er zijn zoveel eigenschappen om te optimaliseren - de spanning, de stabiliteit op lange termijn, of het nu gemakkelijk te synthetiseren is - er komt zoveel bij kijken om batterijmateriaal naar een commercieel stadium te brengen. Nu hebben we een recept om deze materialen te maken."

Hoe en waarom batterijen fluoreren?

Een andere belangrijke vooruitgang op het gebied van lithium-ionbatterijen wordt gerapporteerd in de Natuurcommunicatie papier, "Zuurstofverlies verminderen om de cyclusprestaties van kathodematerialen met hoge capaciteit met kationen te verbeteren, " waaruit blijkt dat ongeordende materialen kunnen worden gefluoreerd, in tegenstelling tot andere batterijmaterialen. Fluoreren heeft twee voordelen:het laat meer capaciteit toe en maakt het materiaal stabieler. In een batterij, de verhoogde stabiliteit zou zich vertalen in een apparaat met een lange levensduur en dat minder snel vlam vat.

De hoofdauteur van het artikel, Jinhyuk Lee, voorheen een Berkeley Lab-onderzoeker, werkte samen met wetenschappers van Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), een bron van röntgenstralen voor wetenschappelijk onderzoek, om in situ experimenten uit te voeren. "De ALS was erg belangrijk om het mechanisme te begrijpen waarmee we een hogere capaciteit krijgen, "Zei Ceder. "Wat echt cool is, is dat je naar de batterij kunt kijken terwijl deze werkt, en kijk naar de elektronische structuur van de kathoden. Dus je leert hoe het oplaadt en ontlaadt, waar de elektronen heen gaan, dat is een cruciaal aspect van ladingsopslag."

ALS-wetenschappers Shawn Sallis en Wanli Yang zijn co-auteurs, net als Bryan McCloskey van Berkeley Lab. "Zijn groep was cruciaal om te laten zien dat deze materialen stabieler zijn en geen zuurstof verliezen. ' zei Ceder.

Nu ze het concept hebben gedemonstreerd, Ceder is van plan om een ​​vervolg te geven door te proberen nog meer fluor aan de materialen toe te voegen.

"Nieuwe kathodematerialen zijn de populairste richting in Li-ionbatterijen, ' zei Ceder. 'Het veld zit een beetje vast. Om meer verbeteringen in energieopslag te krijgen, zijn er nog maar een paar richtingen te gaan. Een daarvan is solid-state batterijen, en de andere is om de energiedichtheid van elektrodematerialen te blijven verbeteren. De twee sluiten elkaar niet uit. Deze onderzoekslijn is zeker nog niet uitgeput."