Batterijonderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een belangrijke chemische reactie ontdekt die lijkt op de methode die wordt gebruikt om augurken te maken. De reactie biedt belangrijke inzichten in het gedrag van een veelgebruikt elektrolytadditief dat wordt gebruikt om de prestaties te verbeteren.

Het energieopslagsysteem bij uitstek voor elektrische voertuigen is de lithium-ionbatterij. In alle accu's van elektrische voertuigen, hoe meer energie wordt opgeslagen, hoe langer de driving range. Momenteel, echter, de kathode beperkt de maximale energieopslagcapaciteit van de lithium-ionbatterij. Om die beperking te overwinnen, zijn kathodematerialen nodig met een hoge capaciteit en werken op hoge spanning. Hoewel dergelijke materialen zijn geïdentificeerd, hun langdurig gebruik blijft problematisch, omdat ze de vloeibare elektrolyt in contact met de geactiveerde kathode afbreken tijdens de laad-ontlaadcyclus van de lithium-ioncel.

Een bekende manier om dat probleem op te lossen, is het inbrengen van een prestatieverhogend additief in de vloeibare elektrolyt. Dit additief modificeert het kathodeoppervlak door een beschermende laag te vormen die de elektrolytontleding stopt. Een zo'n veelvoorkomend additief, bewezen effectief, is tris(trimethylsilyl)fosfiet, beter bekend als TMSPi. Het mechanisme achter het gunstige effect was tot nu toe een mysterie geweest.

Het verrassende nieuwe resultaat is dat het TMSPi-molecuul zelf niet direct betrokken is bij de bescherming van de kathode. Het actieve bestanddeel is een ander molecuul, PF ₂ OSiMe ₃ , die chemisch is afgeleid van TMSPi en structureel wordt weergegeven in de afbeelding aan de linkerkant.

Deze verbinding - een van de vele van dergelijke producten - vormt zich langzaam terwijl het lithiumzout in de elektrolyt reageert met TMSPi. Een van de auteurs van Argonne, Senior materiaalwetenschapper Daniel Abraham, vergeleek het proces "met anaërobe fermentatie van komkommers in pekel, wat ons lekkere augurken oplevert."

In hun onderzoek hebben Abraham en zijn collega's toonden aan dat dit "beitsen" verschillende gunstige effecten biedt. Het reactieproduct vermindert de stijging van de elektrische weerstand die normaal in de batterijcel optreedt tijdens laad-ontlaadcycli. Een ongewenste vertraging van lithiumionen die tussen kathode en anode bewegen en een onomkeerbare verandering in de kathodesamenstelling veroorzaken de stijging van de weerstand; het verminderen van de weerstandsstijging maakt snel opladen en ontladen van de lithium-ioncel mogelijk.

Het TMPSi-product vermindert ook het schadelijke verlies van het overgangsmetaal (meestal kobalt of mangaan) in het kathodemateriaal. Na te zijn ontsnapt uit de kathode, de overgangsmetaalionen gaan door de elektrolyt naar de anode, verslechtering van de prestaties tijdens langdurig fietsen. Het TMPSi-product beperkt niet alleen het verlies van overgangsmetaal, maar vermindert ook het optreden van parasitaire stromen die het laad-ontlaadproces verslechteren.

"De sleutel tot succes in deze studie was de identificatie van de oorsprong van deze gunstige effecten, " voegde Abraham eraan toe. Hij legde uit dat de computerstudies van zijn team onthulden dat het reactieproduct PF ₂ OSiMe ₃ bindt sterk aan reactiecentra op het kathodeoppervlak zonder de schadelijke verwijdering van zuurstof van het oppervlak te veroorzaken. Dit aan het oppervlak gebonden molecuul kan verder reageren met de elektrolyt, transformeren in een nog sterker bindend molecuul dat de reactiecentra op de kathode permanent afdekt, stabiliseren van de interface tussen vloeibare elektrolyt en vaste elektrode. "Als resultaat, "Abraham meldt, "De prestaties van de batterij verbeteren zelfs naarmate het TMPSi-elektrolytadditief ouder wordt."

Abraham meldt ook dat deze vroege onderzoeksstudie een belangrijke praktische toepassing heeft. "Nu we het mechanisme voor de kathodebeschermende werking van het fosfiet beter begrijpen, we kunnen systematischer zijn in het vinden van nieuwe manieren om dit beitsen van het elektrolytadditief te bereiken en te verbeteren."

Een recent gepubliceerd artikel in The Journal of Physical Chemistry , getiteld "Chemisch 'beitsen' van fosfaatadditieven vermindert de impedantiestijging in Li-ionbatterijen, ’ beschrijft het werk.