Als u meer lithium toevoegt aan de positieve elektrode van een lithium-ionbatterij - overvul het, in zekere zin - het kan veel meer lading opslaan in dezelfde hoeveelheid ruimte, theoretisch kan een elektrische auto 30 tot 50 procent verder rijden tussen oplaadbeurten. Maar deze lithiumrijke kathoden verliezen snel spanning, en jarenlang onderzoek hebben tot nu toe niet kunnen vaststellen waarom.

Na het probleem vanuit vele hoeken te hebben bekeken, onderzoekers van de Stanford University, twee nationale laboratoria van het Department of Energy en de batterijfabrikant Samsung hebben een uitgebreid beeld gemaakt van hoe dezelfde chemische processen die deze kathoden hun hoge capaciteit geven, ook zijn gekoppeld aan veranderingen in de atomaire structuur die de prestaties ondermijnen.

"Dit is goed nieuws, " zei William E. Gent, een afgestudeerde student van Stanford University en Siebel Scholar die de studie leidde. "Het geeft ons een veelbelovend nieuw pad voor het optimaliseren van de spanningsprestaties van lithiumrijke kathoden door de manier te regelen waarop hun atomaire structuur evolueert terwijl een batterij wordt opgeladen en ontladen."

Michael Toon, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC National Accelerator Laboratory en een co-auteur van het artikel, toegevoegd, "Het is een enorme deal als je deze lithiumrijke elektroden aan het werk kunt krijgen, omdat ze een van de middelen zouden zijn voor elektrische auto's met een veel groter bereik. Er is enorme interesse in de automobielgemeenschap om manieren te ontwikkelen om deze te implementeren, en begrijpen wat de technologische barrières zijn, kan ons helpen de problemen op te lossen die hen tegenhouden."

Het teamrapport verschijnt vandaag in Natuurcommunicatie .

De onderzoekers bestudeerden de kathoden met een verscheidenheid aan röntgentechnieken bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source (ALS). Theoretici van Berkeley Lab's Molecular Foundry, onder leiding van David Prendergast, waren er ook bij betrokken, de onderzoekers helpen begrijpen waar ze op moeten letten en hun resultaten uitleggen.

De kathodes zelf zijn gemaakt door Samsung Advanced Institute of Technology met behulp van commercieel relevante processen, en geassembleerd tot batterijen die vergelijkbaar zijn met die in elektrische voertuigen.

"Dit zorgde ervoor dat onze resultaten een begrip vertegenwoordigden van een geavanceerd materiaal dat direct relevant zou zijn voor onze industriële partners, " zei Gent. Als ALS doctoraat in residentie, hij was betrokken bij zowel de experimenten als de theoretische modellering voor het onderzoek.

Als een emmer half leeg

Batterijen zetten elektrische energie om in chemische energie voor opslag. Ze hebben drie basisonderdelen - twee elektroden, de kathode en de anode, en de vloeibare elektrolyt daartussen. Terwijl een lithium-ionbatterij oplaadt en ontlaadt, lithiumionen pendelen heen en weer tussen de twee elektroden, waar ze zichzelf in de elektrodematerialen steken.

Hoe meer ionen een elektrode kan absorberen en afgeven in verhouding tot zijn grootte en gewicht - een factor die bekend staat als capaciteit - hoe meer energie hij kan opslaan en hoe kleiner en lichter een batterij kan zijn, waardoor batterijen kunnen krimpen en elektrische auto's meer kilometers kunnen afleggen tussen oplaadbeurten.

"De kathode in de huidige lithium-ionbatterijen werkt op slechts ongeveer de helft van zijn theoretische capaciteit, wat betekent dat het twee keer zo lang moet kunnen meegaan per oplaadbeurt, " zei Stanford-professor William Chueh, een onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC.

"Maar je kunt hem niet helemaal vol opladen. Het is als een emmer die je met water vult, maar dan kun je maar de helft van het water eruit gieten. Dit is op dit moment een van de grote uitdagingen in het veld - hoe zorg je ervoor dat deze kathodematerialen zich gedragen in overeenstemming met hun theoretische capaciteit? Daarom zijn mensen zo enthousiast over het vooruitzicht om veel meer energie op te slaan in lithiumrijke kathoden."

Net als de kathoden van vandaag, lithiumrijke kathoden zijn gemaakt van lithiumlagen die zijn ingeklemd tussen lagen van overgangsmetaaloxiden - elementen zoals nikkel, mangaan of kobalt gecombineerd met zuurstof. Het toevoegen van lithium aan de oxidelaag verhoogt de capaciteit van de kathode met 30 tot 50 procent.

De punten verbinden

Eerder onderzoek had aangetoond dat er verschillende dingen tegelijkertijd gebeuren wanneer lithiumrijke kathoden worden opgeladen, Chueh zei:Lithium-ionen gaan uit de kathode de anode in. Sommige overgangsmetaalatomen komen naar binnen om hun plaats in te nemen. In de tussentijd, zuurstofatomen geven een deel van hun elektronen af, vaststelling van de elektrische stroom en spanning voor het opladen, volgens Chueh. Wanneer de lithiumionen en elektronen tijdens de ontlading terugkeren naar de kathode, de meeste indringers van overgangsmetaal keren terug naar hun oorspronkelijke plek, maar niet allemaal en niet meteen. Met elke cyclus, dit heen en weer verandert de atomaire structuur van de kathode. Het is alsof de emmer verandert in een kleinere en iets andere emmer, voegde Chueh toe.

"We wisten dat al deze verschijnselen waarschijnlijk gerelateerd waren, maar niet hoe, "Zei Chueh. "Nu toont deze reeks experimenten bij SSRL en ALS het mechanisme dat hen verbindt en hoe het te controleren. Dit is een belangrijke technologische ontdekking die mensen niet holistisch hebben begrepen."

Bij SLAC's SSRL, Toney en zijn collega's gebruikten verschillende röntgenmethoden om nauwkeurig te bepalen hoe de atomaire en chemische structuur van de kathode veranderde terwijl de batterij werd opgeladen en ontladen.

Een ander belangrijk hulpmiddel was RIXS met zachte röntgenstralen, of resonante inelastische röntgenverstrooiing, die informatie op atomaire schaal verzamelt over de magnetische en elektronische eigenschappen van een materiaal. Een geavanceerd RIXS-systeem dat vorig jaar bij ALS in gebruik is genomen, scant monsters veel sneller dan voorheen.

"RIXS is meestal gebruikt voor fundamentele fysica, ALS-wetenschapper Wanli Yang zei. "Maar met dit nieuwe ALS-systeem, we wilden RIXS echt openstellen voor praktische materiaalstudies, inclusief energiegerelateerde materialen. Nu het potentieel voor deze studies gedeeltelijk is aangetoond, we konden RIXS gemakkelijk uitbreiden naar andere batterijmaterialen en informatie onthullen die voorheen niet toegankelijk was."

Het team werkt al aan het gebruik van de fundamentele kennis die ze hebben opgedaan om batterijmaterialen te ontwerpen die hun theoretische capaciteit kunnen bereiken en na verloop van tijd geen spanning verliezen.