Een team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het SLAC National Accelerator Laboratory, hebben de oorzaken van degradatie in een kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen geïdentificeerd. evenals mogelijke remedies. Hun bevindingen, gepubliceerd op 7 maart in Geavanceerde functionele materialen , zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van meer betaalbare en beter presterende batterijen voor elektrische voertuigen.

Zoeken naar hoogwaardige kathodematerialen

Om elektrische voertuigen dezelfde betrouwbaarheid te bieden als voertuigen op gas, hebben ze lichtgewicht maar krachtige batterijen nodig. Lithium-ionbatterijen zijn tegenwoordig het meest voorkomende type batterij in elektrische voertuigen, maar hun hoge kosten en beperkte levensduur zijn beperkingen voor de wijdverbreide inzet van elektrische voertuigen. Om deze uitdagingen te overwinnen, wetenschappers van veel van de nationale laboratoria van DOE onderzoeken manieren om de traditionele lithium-ionbatterij te verbeteren.

Batterijen bestaan ​​uit een anode, een kathode, en een elektrolyt, maar veel wetenschappers beschouwen de kathode als de meest dringende uitdaging. Onderzoekers in Brookhaven maken deel uit van een door DOE gesponsord consortium genaamd Battery500, een groep die werkt aan het verdrievoudigen van de energiedichtheid van de batterijen die de elektrische voertuigen van vandaag aandrijven. Een van hun doelen is het optimaliseren van een klasse kathodematerialen die nikkelrijke gelaagde materialen worden genoemd.

"Gelaagde materialen zijn erg aantrekkelijk omdat ze relatief eenvoudig te synthetiseren zijn, maar ook omdat ze een hoge capaciteit en energiedichtheid hebben, " zei Brookhaven-chemicus Enyuan Hu, een auteur van de krant.

Lithiumkobaltoxide is een gelaagd materiaal dat al vele jaren als kathode voor lithium-ionbatterijen wordt gebruikt. Ondanks de succesvolle toepassing in kleine energieopslagsystemen zoals draagbare elektronica, De kosten en toxiciteit van kobalt vormen een belemmering voor het gebruik van het materiaal in grotere systemen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers onderzoeken hoe kobalt kan worden vervangen door veiligere en meer betaalbare elementen zonder afbreuk te doen aan de prestaties van het materiaal.

"We hebben gekozen voor een nikkelrijk gelaagd materiaal omdat nikkel minder duur en giftig is dan kobalt, " zei Hu. "Echter, het probleem is dat nikkelrijke gelaagde materialen beginnen te degraderen na meerdere laad-ontlaadcycli in een batterij. Ons doel is om de oorzaak van deze degradatie op te sporen en mogelijke oplossingen te bieden."

De oorzaak van capaciteitsverlies bepalen

Kathodematerialen kunnen op verschillende manieren worden afgebroken. Voor nikkelrijke materialen, het probleem is voornamelijk de capaciteitsvermindering - een vermindering van de laad-ontlaadcapaciteit van de batterij na gebruik. Om dit proces in hun nikkelrijke gelaagde materialen volledig te begrijpen, de wetenschappers moesten meerdere onderzoekstechnieken gebruiken om het materiaal vanuit verschillende hoeken te beoordelen.

"Dit is een zeer complex materiaal. De eigenschappen ervan kunnen tijdens het fietsen op verschillende lengteschalen veranderen, Hu zei. "We moesten begrijpen hoe de structuur van het materiaal veranderde tijdens het lading-ontladingsproces, zowel fysiek - op atomaire schaal - als chemisch, waarbij meerdere elementen betrokken waren:nikkel, kobalt, mangaan, zuurstof, en lithium."

Om dit te doen, Hu en zijn collega's karakteriseerden het materiaal bij meerdere onderzoeksfaciliteiten, inclusief twee synchrotron-lichtbronnen:de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) in Brookhaven en de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) bij SLAC. Beide zijn DOE Office of Science User Facilities.

"Op elke lengteschaal in dit materiaal, van angstrom tot nanometer en tot micrometer, er gebeurt iets tijdens het laad-ontlaadproces van de batterij, " zei co-auteur Eli Stavitski, beamline-wetenschapper bij NSLS-II's Inner Shell Spectroscopy (ISS) beamline. "We gebruikten een techniek genaamd röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) hier bij ISS ​​om een ​​atomaire afbeelding van de omgeving rond de actieve metaalionen in het materiaal te onthullen."

Resultaten van de XAS-experimenten bij NSLS-II brachten de onderzoekers tot de conclusie dat het materiaal een robuuste structuur had die geen zuurstof uit de bulk afgaf, eerdere overtuigingen uitdagen. In plaats daarvan, de onderzoekers identificeerden dat de stam en lokale stoornis meestal geassocieerd was met nikkel.

Om verder te onderzoeken, het team voerde transmissie-röntgenmicroscopie (TXM) -experimenten uit bij SSRL, het in kaart brengen van alle chemische distributies in het materiaal. Deze techniek produceert een zeer grote reeks gegevens, dus pasten de wetenschappers van SSRL machine learning toe om de gegevens te sorteren.

"Deze experimenten leverden een enorme hoeveelheid gegevens op, dat is waar onze computerbijdrage binnenkwam, " zei co-auteur Yijin Liu, een SLAC-stafwetenschapper. "Het zou voor mensen niet praktisch zijn geweest om al deze gegevens te analyseren, dus ontwikkelden we een machine learning-aanpak die de gegevens doorzocht en oordeelde over welke locaties problematisch waren. Dit vertelde ons waar we moesten kijken en leidde onze analyse."

Hu zei, "De belangrijkste conclusie die we uit dit experiment trokken, was dat er aanzienlijke inhomogeniteiten waren in de oxidatietoestanden van de nikkelatomen door het hele deeltje. Een deel van het nikkel in het deeltje handhaafde een geoxideerde toestand, en waarschijnlijk gedeactiveerd, terwijl het nikkel op het oppervlak onomkeerbaar werd verminderd, het verminderen van de efficiëntie."

Aanvullende experimenten onthulden kleine scheurtjes in de structuur van het materiaal.

"Tijdens het laad-ontlaadproces van een batterij, het kathodemateriaal zet uit en krimpt, stress creëren, Hu zei. "Als die stress snel kan worden losgelaten, is dat geen probleem, maar als het niet efficiënt kan worden vrijgegeven, dan kunnen er scheuren ontstaan."

De wetenschappers geloofden dat ze dit probleem mogelijk konden verminderen door een nieuw materiaal met een uitgeholde structuur te synthetiseren. Ze hebben die theorie experimenteel getest en bevestigd, maar ook door middel van berekeningen. Vooruit gaan, het team is van plan om door te gaan met het ontwikkelen en karakteriseren van nieuwe materialen om hun efficiëntie te verbeteren.

"We werken in een ontwikkelingscyclus, " zei Stavitski. "Je ontwikkelt het materiaal, vervolgens karakteriseer je het om inzicht te krijgen in zijn prestaties. Dan ga je terug naar een synthetisch chemicus om een ​​geavanceerde materiaalstructuur te ontwikkelen, en dan karakteriseer je dat weer. Het is een weg naar continue verbetering."

Aanvullend, terwijl NSLS-II zijn capaciteiten blijft uitbreiden, de wetenschappers zijn van plan om meer geavanceerde TXM-experimenten op dit soort materialen te voltooien, profiteren van het ultraheldere licht van de NSLS-II.