De Nobelprijs voor Scheikunde 2019 is toegekend voor de ontwikkeling van lithium-ion (Li-ion) batterijen. Akira Yoshino creëerde de eerste commercieel levensvatbare lithium-ionbatterij in 1985, en sinds ze voor het eerst op de markt kwamen in 1991, ze hebben een revolutie teweeggebracht in ons leven. Niet-oplaadbare batterijen zijn gebaseerd op chemische reacties die de elektroden afbreken. In lithium-ioncellen, lithiumionen stromen omkeerbaar tussen de anode en de kathode.

Deze oplaadbare architectuur voedt onze draadloze apparaten, kunnen hernieuwbare energie opslaan en zelfs onze voertuigen van brandstof voorzien. Echter, Li-ioncellen hebben een knelpunt in de energiedichtheid bereikt, en het ontwikkelen van de volgende generatie krachtige batterijen is een materiaaluitdaging. Een groot probleem ligt bij de kathode, waar Li-rijke materialen nodig zijn om de energiedichtheid van de Li-ionbatterij aanzienlijk te verhogen. Helaas, deze zijn minder omkeerbaar dan bestaande kathoden en vertonen een aanzienlijk spanningsverlies na de eerste lading.

Een internationaal team van onderzoekers gebruikte verschillende technieken om twee nauw verwante kathodematerialen te karakteriseren om de oorzaak van deze spanningshysterese te onderzoeken. hun resultaten, onlangs gepubliceerd in Natuur , laten zien dat het wordt bestuurd door de bovenbouw van het kathodemateriaal, biedt een nieuwe weg voor onderzoek naar batterijmateriaal.

Waarom leidt het toevoegen van meer lithiumionen niet altijd tot een betere batterij?

Het inpakken van meer lithiumionen is de sleutel tot het verhogen van de energiedichtheid van een Li-ionbatterij. De huidige state-of-the-art kathodematerialen zijn gemaakt van afwisselende lagen lithium en overgangsmetalen, zoals mangaan. Het toevoegen van lithium aan de overgangsmetaallaag verhoogt de hoeveelheid lithium die beschikbaar is voor de laad-/ontlaadcyclus. Echter, het vermindert het aantal overgangsmetaalionen dat beschikbaar is om elektronen aan het externe circuit te doneren. De benodigde elektronen kunnen afkomstig zijn van oxide-ionen in de kathode, in een proces dat O-redox wordt genoemd. Het probleem met dit proces is dat, aangezien lithium tijdens de batterijcyclus wordt verwijderd, de structuur van het kathodemateriaal stort in op een manier die niet omkeerbaar is en wat leidt tot een significante daling van de energiedichtheid van de batterij.

Aan de Universiteit van Oxford, Robert House werkt samen met een team van onderzoekers die geïnteresseerd zijn in deze Li-rijke batterijmaterialen, en vooral waarom ze niet zo goed presteren als we zouden hopen. Met behulp van beamline I21 bij Diamond Light Source, ze wilden een verklaring vinden voor de spanningshysterese die ervoor zorgt dat de energiedichtheid daalt en hoe dit kan worden vermeden.

Een verhaal van twee bovenbouw

De onderzoekers gebruikten verschillende technieken om twee nauw verwante kathodematerialen te analyseren, nee _0,75 [Li _0,25 Mn _0,75 ]O ₂ en Na _0,6 [Li _0.2 Mn _0,8 ]O ₂ als modellen voor Li-rijke kathoden.

Bij Diamant, ze gebruikten onze speciale Resonant Inelastische zachte X-ray Scattering (RIXS) beamline (I21), die in oktober 2017 zijn eerste gebruikers verwelkomde. Robert House merkte op:

"We hebben synchrotron-technieken nodig om O-redox te bestuderen. Onderzoek naar O-redox maakt vaak gebruik van röntgenabsorptiespectroscopie (XAS), maar met RIXS kunnen we de elektronische structuur van zuurstof veel gedetailleerder onderzoeken. Bij Diamant, we gebruikten RIXS met hoge resolutie om functies op te lossen die we eerder niet konden zien. Wereldwijd, er zijn niet veel spectrometers die deze gegevens hebben kunnen leveren, en de experimenten die we bij Diamond hebben uitgevoerd, hebben geleid tot onze meest opwindende bevinding"

y met behulp van RIXS met hoge resolutie, het team stelde vast dat geoxideerde zuurstof zuurstofgasmoleculen vormt in het midden van de kathode. Het zuurstofgas vormt zich door het sterk geordende patroon van Li en overgangsmetalen in de overgangsmetaallaag te verstoren, wanorde tot gevolg. Hoewel dit proces onomkeerbaar is, het is mogelijk om de vorming van zuurstofgas om te keren. Dit, echter, gebeurt bij een veel lagere spanning die aanleiding geeft tot het spanningsverlies in de eerste cyclus. Deze resultaten onthullen niet alleen de oorzaak van de spanningshysterese, maar scheppen een nieuw precedent voor de chemie in vaste toestand:een omkeerbare redox van zuurstofgas dat in een vaste stof is opgesloten.

De Diamond-resultaten toonden ook een tweede opwindende ontdekking:nieuw bewijs van stabiele elektronengaten op geoxideerde O-ionen.

De meeste van de tot nu toe bestudeerde O-redoxmaterialen gebruiken een honingraatstructuur voor het overtollige lithium. Als een klas, deze materialen zijn fundamenteel onstabiel in geladen toestand, hun orde verliezen en zuurstofgas vormen. Echter, het tweede kathodemateriaal dat het team onderzocht heeft een ander, lint bovenbouw. Het heeft een ander patroon van lithium en overgangsmetalen dat wanorde en de vorming van zuurstofgas onderdrukt. Deze stabielere structuur kan geoxideerde O-ionen beter ondersteunen.

Kejin Zhou, belangrijkste beamline-wetenschapper op I21 zei:

"We zijn erg blij dat de I21-RIXS-faciliteit heeft bijgedragen aan de belangrijkste bevindingen van het O-redox-onderzoek in Li-rijke batterijmaterialen. Het vermogen om de trillingsspectra van ingesloten zuurstofgas op te lossen is van vitaal belang om de bovenbouwstabiliteit van kathodematerialen te karakteriseren RIXS is een zeer krachtige techniek en kan worden toegepast op veel verschillende soorten vaste toestanden, variërend van batterijmaterialen, katalysatoren, naar kwantum complexe materie."

Ondanks dat de bovenbouw van het lint niet 100 procent stabiel is, het werk van het team onthulde de cruciale rol van de bovenbouw bij het behoud van hoogspannings-O-redox. Onderzoek concentreerde zich op de honingraatstructuur, en er zouden nog veel meer onontdekte bovenbouwbestellingen kunnen zijn, dus deze resultaten bieden een nieuwe strategie voor het zoeken naar Li-rijke kathoden met hoge energiedichtheid.