Een onderzoeksgroep heeft nieuwe inzichten opgeleverd over het vrijkomen van zuurstof in lithium-ionbatterijen, de weg vrijmaakt voor robuustere en veiligere batterijen met een hoge energiedichtheid.

Batterijen van de volgende generatie die meer energie opslaan, zijn van cruciaal belang als de samenleving de doelstellingen voor duurzame ontwikkeling van de VN wil bereiken en koolstofneutraliteit wil realiseren. Echter, hoe hoger de energiedichtheid, hoe groter de kans op thermische runaway - de oververhitting van batterijen die er soms toe kan leiden dat een batterij ontploft.

Zuurstof die vrijkomt uit kathodeactief materiaal is een trigger voor thermische runaway, maar onze kennis van dit proces is onvoldoende.

Onderzoekers van de Tohoku University en het Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) onderzochten het zuurstofafgiftegedrag en de bijbehorende structurele veranderingen van kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen LiNi _1/3 Co _1/3 Mn _1/3 O ₂ (NCM111). NCM111 fungeerde als een op oxide gebaseerd batterijmateriaal door coulometrische titratie en röntgendiffracties.

De onderzoekers ontdekten dat NCM111 5 mol% van de zuurstofafgifte accepteert zonder te ontbinden en dat zuurstofafgifte structurele wanorde veroorzaakte. de uitwisseling van Li en Ni.

Als er zuurstof vrijkomt, het vermindert de overgangsmetalen (Ni, Co en Mn in NCM111), het verminderen van hun vermogen om een ​​evenwichtige lading in de materialen te houden.

Om dit te evalueren, de onderzoeksgroep gebruikte zachte röntgenabsorptiespectroscopie bij BL27SU SPring-8 - een door JASRI geëxploiteerde grootschalige synchrotronstralingsfaciliteit in Japan.

Ze observeerden selectieve Ni ³⁺ vermindering van NCM111 in het beginstadium van zuurstofafgifte. Nadat de Ni-reductie was voltooid, Co ³⁺ afgenomen, terwijl Mn ⁴⁺ bleef onveranderlijk gedurende 5 mol% zuurstofafgifte.

"Het reductiegedrag suggereert sterk dat hoge valente NI (Ni ³⁺ ) verbetert de zuurstofafgifte aanzienlijk, " zei Takashi Nakamura, co-auteur van de krant.

Om deze hypothese te testen, Nakamura en zijn collega's maakten gemodificeerde NCM111 met meer Ni ³⁺ dan de originele NCM111. Tot hun verbazing, ze ontdekten dat de NCM111 veel sterkere zuurstofafgifte vertoonde dan verwacht.

Op basis hiervan, de onderzoeksgroep stelde voor dat de hoogwaardige overgangsmetalen roosterzuurstof in op oxide gebaseerde batterijmaterialen destabiliseren.

"Onze bevindingen zullen bijdragen aan de verdere ontwikkeling van batterijen met een hoge energiedichtheid en robuuste batterijen van de volgende generatie die zijn samengesteld uit overgangsmetaaloxiden, ' zei Nakamura.