Het bouwen van een betere lithium-ionbatterij omvat het gelijktijdig aanpakken van een groot aantal factoren, van het elektrisch en ionisch geleidend houden van de kathode van de batterij tot ervoor zorgen dat de batterij na vele cycli veilig blijft.

Bij een nieuwe ontdekking wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe kathodecoating ontwikkeld met behulp van een oxidatieve chemische dampafzettingstechniek die deze en verschillende andere potentiële problemen met lithium-ionbatterijen in één beweging kan helpen oplossen.

"De coating die we hebben ontdekt slaat echt vijf of zes vliegen in één klap." Khalil Amine, Argonne onderscheiden collega en batterijwetenschapper.

In het onderzoek, Amine en zijn collega-onderzoekers namen deeltjes van Argonne's baanbrekende nikkel-mangaan-kobalt (NMC) kathodemateriaal en ingekapseld ze met een zwavelhoudend polymeer genaamd PEDOT. Dit polymeer biedt de kathode een beschermingslaag tegen het elektrolyt van de batterij wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen.

In tegenstelling tot conventionele coatings, die alleen het buitenoppervlak van de kathodedeeltjes ter grootte van een micron beschermen en de binnenkant kwetsbaar maken voor scheuren, de PEDOT-coating had het vermogen om door te dringen tot in het inwendige van het kathodedeeltje, het toevoegen van een extra laag afscherming.

In aanvulling, hoewel PEDOT de chemische interactie tussen de batterij en de elektrolyt verhindert, het zorgt wel voor het noodzakelijke transport van lithiumionen en elektronen die de batterij nodig heeft om te functioneren.

"Deze coating is in wezen vriendelijk voor alle processen en chemie die ervoor zorgen dat de batterij werkt en onvriendelijk voor alle mogelijke reacties die ervoor zouden zorgen dat de batterij verslechtert of defect raakt, " zei Argonne chemicus Guiliang Xu, de eerste auteur van het onderzoek.

De coating voorkomt ook grotendeels een andere reactie die ervoor zorgt dat de kathode van de batterij deactiveert. Bij deze reactie het kathodemateriaal wordt omgezet in een andere vorm die spinel wordt genoemd. "De combinatie van bijna geen spinelvorming met zijn andere eigenschappen maakt deze coating tot een zeer opwindend materiaal, ' zei Amine.

Het PEDOT-materiaal toonde ook het vermogen om zuurstofafgifte te voorkomen, een belangrijke factor voor de degradatie van NMC-kathodematerialen bij hoge spanning. "Deze PEDOT-coating bleek ook de zuurstofafgifte tijdens het opladen te kunnen onderdrukken, wat leidt tot een betere structurele stabiliteit en ook voor meer veiligheid, ' zei Amine.

Amine gaf aan dat batterijwetenschappers de coating waarschijnlijk kunnen opschalen voor gebruik in nikkelrijke NMC-bevattende batterijen. "Dit polymeer bestaat al een tijdje, maar we waren nog steeds verrast om te zien dat het alle bemoedigende effecten heeft die het heeft, " hij zei.

Met de aangebrachte coating, de onderzoekers zijn van mening dat de NMC-bevattende batterijen ofwel op hogere spanningen kunnen werken - waardoor hun energieoutput toeneemt - of een langere levensduur hebben, of allebei.

Om het onderzoek uit te voeren, de wetenschappers vertrouwden op twee DOE Office of Science User Facilities in Argonne:de Advanced Photon Source (APS) en het Center for Nanoscale Materials (CNM). In situ werden hoge-energetische röntgendiffractiemetingen gedaan bij bundellijn 11-ID-C van de APS, en gefocusseerde ionenbundellithografie en transmissie-elektronenmicroscopie werden uitgevoerd bij de CNM.

Een paper gebaseerd op de studie, "Het bouwen van ultraconforme beschermende lagen op zowel secundaire als primaire deeltjes van gelaagde lithiumovergangsmetaaloxide-kathoden, " verscheen in de online editie van 13 mei van Natuur Energie .