De lithium-ionbatterijen die elektrische voertuigen en telefoons aandrijven, worden opgeladen en ontladen door lithiumionen heen en weer te laten gaan tussen twee elektroden, een anode en een kathode. Hoe meer lithiumionen de elektroden kunnen absorberen en afgeven, hoe meer energie de batterij kan opslaan.

Een probleem dat de huidige commerciële batterijmaterialen teistert, is dat ze slechts ongeveer de helft van de lithiumionen die ze bevatten, kunnen vrijgeven. Een veelbelovende oplossing is om kathoden vol te proppen met extra lithiumionen, waardoor ze meer energie kunnen opslaan in dezelfde hoeveelheid ruimte. Maar om de een of andere reden, elke nieuwe laad- en ontlaadcyclus ontneemt deze lithiumrijke kathoden langzaam van hun spanning en capaciteit.

Een nieuwe studie biedt een uitgebreid model van dit proces, identificeren waardoor het ontstaat en hoe het uiteindelijk leidt tot de ondergang van de batterij. Onder leiding van onderzoekers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en het Lawrence Berkeley National Laboratory, het is vandaag gepubliceerd in Natuurmaterialen .

"Dit onderzoek heeft veel misvattingen in het veld aangepakt, " zegt studieleider William Gent, een Stanford University Siebel Scholar en winnaar van een Advanced Light Source and Molecular Foundry Doctoral Fellowship bij Berkeley Lab. "Er is nog een lange weg te gaan, maar nu hebben we een fundamenteel begrip van de eigenschappen die leiden tot dit proces dat ons zal helpen de kracht ervan te benutten in plaats van er alleen maar in het donker naar te steken."

Het opzuigen

Het fietsen van lithium door een batterij is als een sponsrelais, een hoofdbestanddeel van picknicks en Fourth of July-barbecues die deelnemers uitdaagt om water van de ene emmer naar de andere te brengen met alleen een spons. Hoe meer absorberend de spons, hoe meer water er in de tweede emmer kan worden geperst.

Lithiumrijke batterijkathoden zijn als superabsorberende sponzen, in staat om bijna twee keer zoveel lithiumionen op te nemen als commerciële kathoden, maar liefst twee keer zoveel energie in dezelfde hoeveelheid ruimte stoppen. Dit kan zorgen voor kleinere telefoonbatterijen en elektrische voertuigen die verder reizen tussen oplaadbeurten.

De meeste kathoden van lithium-ionbatterijen bevatten afwisselende lagen lithium en overgangsmetaaloxiden - elementen zoals nikkel of kobalt in combinatie met zuurstof. Bij commerciële batterijen, elke keer dat een lithiumatoom de kathode verlaat voor de anode, een elektron wordt vastgehaakt aan een overgangsmetaalatoom. Deze elektronen creëren de elektrische stroom en spanning die nodig is om het materiaal op te laden.

Maar bij lithiumrijke batterijen gebeurt iets anders.

"Een ongebruikelijk kenmerk van lithiumrijke kathoden is dat het elektron uit de zuurstof komt in plaats van het overgangsmetaal, " zegt Michael Toney, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC en een co-auteur van het artikel. "Dit proces, zuurstofoxidatie genoemd, stelt kathoden in staat om ongeveer 90 procent van het lithium te extraheren bij een spanning die hoog genoeg is om de energie die in de batterij is opgeslagen te vergroten."

Uit elkaar vallen

Maar stel je in het sponsrelais voor dat bij elke volgende doorweek, de structuur van de spons verandert:de vezels verstijven en bundelen zich, het opeten van de lege ruimte die het materiaal zo efficiënt maakt in het absorberen van water. Zuurstofoxidatie doet iets soortgelijks. De eerdere studie van de auteurs, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , toonde aan dat elke keer dat lithiumionen uit de kathode de anode ingaan, sommige overgangsmetaalatomen sluipen naar binnen om hun plaats in te nemen en de atomaire structuur van de kathode wordt een beetje rommeliger. De gelaagde structuur die essentieel is voor de prestaties van de kathode valt langzaam uit elkaar, het ondermijnen van de spanning en capaciteit.

In deze nieuwe studie de onderzoekers toonden aan dat dit komt omdat door het elektron uit zuurstof te rukken, het een andere binding wil vormen en overgangsmetaalatomen moeten bewegen om die binding te accommoderen, het veranderen van de atomaire structuur.

"Dit is het eerste artikel dat een compleet model biedt over waarom deze dingen met elkaar verband houden en waar veel van de ongebruikelijke eigenschappen van de lithiumrijke kathode vandaan komen, " zegt Jihyun Hong, een Stanford en SLAC postdoc, nu bij het Korea Institute of Science and Technology (KIST).

Het effect benutten

Toney zegt dat het de combinatie van theorie en vele experimentele methoden vergde, gedaan bij SLAC's Stanford Synchrotron Light Source (SSRL) evenals Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) en Molecular Foundry, om dit ingewikkelde probleem op te lossen.

Door deze combinatie kon het team de sterke drijvende kracht achter veranderingen in de bindingsconfiguratie van de kathode tijdens zuurstofoxidatie overtuigend aantonen. De volgende stap, Toon zegt, is om manieren te vinden om die veranderingen teweeg te brengen zonder de kristalstructuur van de kathode volledig te verstoren.

"Omdat zuurstofoxidatie aanleiding geeft tot extra energiedichtheid, in staat zijn om het te begrijpen en te beheersen is potentieel een game changer in elektrische voertuigen, " zegt William Chueh, Universitair docent materiaalwetenschappen aan Stanford, die de studie mede leidde. "Tot dusver, vooruitgang op dit gebied is grotendeels incrementeel geweest, met verbeteringen van slechts enkele procenten per jaar. Als we een manier kunnen vinden om dit te laten werken, het zou een enorme stap voorwaarts zijn om deze technologie praktisch te maken."