Een onderzoeksteam van de Northwestern University heeft manieren gevonden om een ​​nieuwe batterij met een recordhoge laadcapaciteit te stabiliseren. Gebaseerd op een lithium-mangaan-oxide kathode, de doorbraak zou ertoe kunnen leiden dat smartphones en auto's op batterijen meer dan twee keer zo lang meegaan tussen oplaadbeurten.

"Deze batterij-elektrode heeft een van de hoogste ooit gerapporteerde capaciteiten gerealiseerd voor alle op overgangsmetaaloxide gebaseerde elektroden. Het is meer dan het dubbele van de capaciteit van materialen die momenteel in uw mobiele telefoon of laptop aanwezig zijn, " zei Christopher Wolverton, de Jerome B. Cohen hoogleraar Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering van Northwestern, die de studie leidde. "Dit soort hoge capaciteit zou een grote vooruitgang betekenen voor het doel van lithium-ionbatterijen voor elektrische voertuigen."

Het onderzoek is op 14 mei online gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Lithium-ionbatterijen werken door lithiumionen heen en weer te pendelen tussen de anode en de kathode. De kathode is gemaakt van een verbinding die lithiumionen bevat, een overgangsmetaal en zuurstof. Het overgangsmetaal, typisch kobalt, slaat elektrische energie effectief op en geeft deze vrij wanneer lithiumionen van de anode naar de kathode en terug bewegen. De capaciteit van de kathode wordt dan beperkt door het aantal elektronen in het overgangsmetaal dat aan de reactie kan deelnemen.

Een Frans onderzoeksteam rapporteerde voor het eerst de lithium-mangaan-oxideverbinding met grote capaciteit in 2016. Door het traditionele kobalt te vervangen door goedkoper mangaan, het team ontwikkelde een goedkopere elektrode met meer dan het dubbele van de capaciteit. Maar het was niet zonder uitdagingen. De prestaties van de batterij verslechterden zo aanzienlijk binnen de eerste twee cycli dat onderzoekers het niet commercieel levensvatbaar vonden. Ze begrepen ook niet helemaal de chemische oorsprong van de grote capaciteit of de degradatie.

Na het opstellen van een gedetailleerde, atoom-voor-atoom foto van de kathode, Het team van Wolverton ontdekte de reden achter de hoge capaciteit van het materiaal:het dwingt zuurstof om deel te nemen aan het reactieproces. Door zuurstof te gebruiken - naast het overgangsmetaal - om elektrische energie op te slaan en vrij te geven, de batterij heeft een hogere capaciteit om meer lithium op te slaan en te gebruiken.

Volgende, het Northwestern-team richtte zijn aandacht op het stabiliseren van de batterij om snelle degradatie te voorkomen.

"Gewapend met de kennis van het laadproces, we gebruikten high-throughput-berekeningen om door het periodiek systeem te scannen om nieuwe manieren te vinden om deze verbinding te combineren met andere elementen die de prestaties van de batterij zouden kunnen verbeteren, " zei Zhenpeng Yao, co-eerste auteur van het papier en een voormalig Ph.D. student in het laboratorium van Wolverton.

De berekeningen wezen op twee elementen:chroom en vanadium. Het team voorspelt dat het mengen van beide elementen met lithium-mangaanoxide stabiele verbindingen zal opleveren die de ongekend hoge capaciteit van de kathode behouden. Volgende, Wolverton en zijn medewerkers zullen deze theoretische verbindingen experimenteel testen in het laboratorium.