Een veelbelovende technologie in ontwikkeling door grote batterijfabrikanten is nog aantrekkelijker geworden, dankzij onderzoekers die een ongekende blik hebben geworpen op een belangrijke barrière voor betere, lithium-ionbatterijen met een langere levensduur.

Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie rapporteren nieuwe bevindingen over het maken van een eenkristal, nikkelrijke kathode sterker en efficiënter. Het werk van het team aan de kathode, een essentieel onderdeel van de lithium-ionbatterijen die tegenwoordig veel voorkomen in elektrische voertuigen, verschijnt in het nummer van 11 december van het tijdschrift Wetenschap .

Onderzoekers over de hele wereld werken aan het maken van batterijen die meer energie leveren, gaan langer mee en zijn minder duur om te produceren. Verbeterde lithium-ionbatterijen zijn van cruciaal belang voor een bredere acceptatie van elektrische voertuigen.

De uitdagingen zijn er genoeg. Het eenvoudige uiterlijk van een batterij logenstraft de complexiteit ervan, en het beheersen van de complexe moleculaire interacties binnenin is essentieel om het apparaat goed te laten werken. Constante chemische reacties eisen hun tol, de levensduur van een batterij beperken en de grootte beïnvloeden, kosten en andere factoren.

De belofte van een nikkelrijke kathode:meer energiecapaciteit

Wetenschappers werken aan manieren om meer energie op te slaan in de kathodematerialen door het nikkelgehalte te verhogen. Nikkel ligt op de tekentafel van fabrikanten van lithium-ionbatterijen, grotendeels vanwege de relatief lage kosten, brede beschikbaarheid en lage toxiciteit in vergelijking met andere belangrijke batterijmaterialen, zoals kobalt.

"Nikkelrijke kathodematerialen hebben een reëel potentieel om meer energie op te slaan, " zei Jie Xiao, corresponderende auteur van het artikel en groepsleider van het batterijonderzoeksprogramma van PNNL. "Maar grootschalige implementatie was een uitdaging."

Terwijl nikkel veelbelovend is, in grote hoeveelheden kan het problemen veroorzaken in batterijen. Hoe meer nikkel in het rooster van het materiaal, hoe minder stabiel de kathode. Een hoog nikkelgehalte kan ongewenste nevenreacties verhogen, het materiaal beschadigen en opslag en hantering erg moeilijk maken.

Het is een uitdaging om alle voordelen van meer nikkel te benutten en tegelijkertijd de nadelen te minimaliseren.

Momenteel is de meest voorkomende nikkelrijke kathode in de vorm van polykristallen - aggregaten van vele nanokristallen in één groter deeltje. Deze hebben voordelen voor het sneller opslaan en ontladen van energie. Maar de polykristallen breken soms af tijdens herhaald fietsen. Hierdoor kan een groot deel van het oppervlak worden blootgesteld aan elektrolyt, het versnellen van ongewenste chemische reacties veroorzaakt door een hoog nikkelgehalte en het genereren van gas. Deze onomkeerbare schade resulteert in een batterij met een nikkelrijke kathode die sneller faalt en veiligheidsrisico's met zich meebrengt.

Van eenkristallen, ijsblokjes en lithium-ionbatterijen

Wetenschappers zoals Xiao proberen veel van deze problemen te omzeilen door een enkelkristal te creëren, nikkelrijke kathode. De PNNL-onderzoekers ontwikkelden een proces om hoogwaardige kristallen te laten groeien in gesmolten zouten - natriumchloride, gewoon keukenzout - op hoge temperatuur.

Wat is het voordeel van een enkel kristal in vergelijking met een polykristallijn materiaal? Denk aan het koel houden van je eten tijdens het kamperen. Een vast blok ijs smelt veel langzamer dan dezelfde hoeveelheid ijs die in kleine blokjes wordt geleverd; het ijsblok is beter bestand tegen schade door hogere temperaturen en andere externe krachten.

Het is vergelijkbaar met nikkelrijke kathoden:een aggregaat van kleine kristallen is onder bepaalde omstandigheden veel kwetsbaarder voor zijn omgeving dan een enkel kristal, vooral als er een hoog nikkelgehalte is, aangezien nikkel geneigd is ongewenste chemische reacties te veroorzaken. Overuren, met herhaalde batterijcycli, de aggregaten worden uiteindelijk verpulverd, de structuur van de kathode verpesten. Dat is niet zozeer een probleem als de hoeveelheid nikkel in de kathode lager is; onder dergelijke omstandigheden, een polykristallijne kathode die nikkel bevat, biedt een hoog vermogen en stabiliteit. Het probleem wordt groter, Hoewel, wanneer wetenschappers een kathode maken met meer nikkel - een kathode die echt rijk is aan nikkel.

Microscheuren van de kathode omkeerbaar, te voorkomen

Het PNNL-team ontdekte een reden waarom een ​​eenkristal, nikkelrijke kathode breekt af:het is te wijten aan een proces dat bekend staat als kristalglijden, waar een kristal uit elkaar begint te vallen, leiden tot microscheuren. Ze ontdekten dat het glijden onder bepaalde omstandigheden gedeeltelijk omkeerbaar is en hebben manieren voorgesteld om de schade helemaal te voorkomen.

"Met het nieuwe fundamentele begrip, we zullen het glijden en de microscheuren in het eenkristal kunnen voorkomen. Dit in tegenstelling tot de schade in de polykristallijne vorm, waar de deeltjes worden verpulverd in een proces dat niet omkeerbaar is, ' zei Xiao.

Het blijkt dat glijdende bewegingen in de roosterlagen van het kristal de oorzaak zijn van microscheuren. De lagen bewegen heen en weer, als kaarten in een kaartspel terwijl ze worden geschud. Het glijden vindt plaats terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen - lithiumionen vertrekken en keren terug naar de kathode, het kristal elke keer een beetje uitpersen. Gedurende vele cycli, het herhaald glijden resulteert in microscheuren.

Xiao's team ontdekte dat het proces zichzelf gedeeltelijk kan omkeren door de natuurlijke acties van de lithiumatomen, die spanningen creëren in de ene richting wanneer de ionen het kristalrooster binnenkomen en in de tegenovergestelde richting wanneer ze vertrekken. Maar de twee acties heffen elkaar niet volledig op, en na verloop van tijd, microscheurtjes ontstaan. Dat is de reden waarom enkele kristallen uiteindelijk falen, hoewel ze niet uiteenvallen in kleine deeltjes zoals hun polykristallijne tegenhangers.

Het team volgt verschillende strategieën om het glijden te voorkomen. De onderzoekers hebben ontdekt dat het gebruik van de batterij op een gemeenschappelijke spanning - ongeveer 4,2 volt - de schade minimaliseert terwijl deze nog steeds binnen het normale bereik van lithium-ionbatterijen voor elektrische voertuigen blijft. Het team voorspelt ook dat door de grootte van een enkel kristal onder 3,5 micron te houden, zelfs bij hogere spanningen schade kan worden voorkomen. En het team onderzoekt manieren om het kristalrooster te stabiliseren om de aankomst en vertrek van lithiumionen beter op te vangen.

Het team schat dat het eenkristal, nikkelrijke kathode bevat minstens 25 procent meer energie in vergelijking met de lithium-ionbatterijen die tegenwoordig in elektrische voertuigen worden gebruikt.

Nutsvoorzieningen, PNNL-onderzoekers onder leiding van Xiao werken samen met Albemarle Corporation, een belangrijk productiebedrijf voor speciale chemicaliën en een van 's werelds toonaangevende producenten van lithium voor accu's van elektrische voertuigen. In een samenwerking gefinancierd door DOE, het team zal de effecten van geavanceerde lithiumzouten op de prestaties van monokristallijne nikkelrijke kathodematerialen onderzoeken door het proces op kilogramschaal te demonstreren.