Het laden en ontladen van een batterijcel transformeert het elektrodemateriaal in een "super" materiaal.

In het afgelopen decennium hebben vorderingen in onderzoek en ontwikkeling geleid tot efficiëntere lithium-ionbatterijen. Toch blijven er belangrijke tekortkomingen. Een uitdaging is de behoefte aan sneller opladen, wat de adoptie van elektrische voertuigen kan helpen versnellen.

Een onderzoeksteam onder leiding van de Boise State University en de University of California San Diego heeft dit probleem op een onconventionele manier benaderd. Met behulp van de middelen van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) creëerden ze een hoogwaardig materiaal voor batterij-elektroden. De verbinding, niobiumpentoxide, heeft een nieuwe kristallijne structuur. Het is veelbelovend voor het versnellen van het opladen terwijl het een uitstekende opslagcapaciteit biedt.

De studie van het team is gepubliceerd in Nature Materials in mei 2022.

Tijdens het opladen bewegen lithiumionen van de positieve elektrode (kathode) naar de negatieve elektrode (anode), gewoonlijk gemaakt van grafiet. Bij hogere laadsnelheden heeft lithiummetaal de neiging zich op te hopen op het oppervlak van het grafiet. Dit effect, ook wel plating genoemd, heeft de neiging de prestaties te verminderen en kan ertoe leiden dat batterijen kortsluiten, oververhit raken en vlam vatten.

Niobiumpentoxide is veel minder vatbaar voor plating, waardoor het mogelijk veiliger en duurzamer is dan grafiet. Bovendien kunnen de atomen zich in veel verschillende stabiele configuraties rangschikken die niet veel energie vereisen om opnieuw te configureren. Dit biedt kansen voor onderzoekers om nieuwe structuren te ontdekken die de batterijprestaties kunnen verbeteren.

Voor deze studie bouwden de onderzoekers een knoopcel met niobiumpentoxide als elektrodemateriaal. (Een knoopcel, ook wel knoopcel genoemd, is een klein, cirkelvormig batterijapparaat.) Het niobiumpentoxide had een amorfe structuur, met andere woorden, een ongeordende rangschikking van atomen. Toen de cel meerdere keren werd opgeladen en ontladen, veranderde de ongeordende structuur in een geordende, kristallijne. Deze specifieke structuur was nog nooit eerder in de wetenschappelijke literatuur vermeld.

Vergeleken met de ongeordende opstelling maakte de kristallijne structuur tijdens het opladen gemakkelijker en sneller transport van lithiumionen naar de anode mogelijk. Deze bevinding wijst op de belofte van het materiaal voor snel opladen, en andere metingen suggereren dat het een grote hoeveelheid lading kan opslaan.

Argonne biedt verschillende aanvullende tools

Vanwege de complexe veranderingen tijdens de laad-ontlaadcyclus waren verschillende aanvullende diagnostische hulpmiddelen nodig voor een uitgebreid begrip. Dat is waar Argonne - en een paar DOE Office of Science-gebruikersfaciliteiten in het laboratorium - binnenkwamen.

Yuzi Liu, een wetenschapper in Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), gebruikte een techniek genaamd transmissie-elektronenmicroscopie om de structurele transformatie van amorf naar kristallijn te verifiëren. Deze techniek stuurt hoogenergetische elektronenstralen door een materiaalmonster. Het creëert digitale beelden op basis van de interactie van de elektronen met het monster. De afbeeldingen laten zien hoe atomen zijn gerangschikt.

"Omdat de elektronenstraal op een klein gebied van het monster wordt gefocust, geeft de techniek gedetailleerde informatie over dat specifieke gebied", zei Liu.

Hua Zhou, een natuurkundige in Argonne's Advanced Photon Source (APS), bevestigde de structurele verandering met een andere techniek die bekend staat als synchrotron-röntgendiffractie. Dit houdt in dat het monster wordt geraakt met hoogenergetische röntgenstralen, die worden verstrooid door de elektronen van de atomen in het materiaal. Een detector meet deze verstrooiing om de structuur van het materiaal te karakteriseren.

Röntgendiffractie is effectief voor het verstrekken van informatie over algemene structurele veranderingen in een volledig materiaalmonster. Dit kan nuttig zijn bij het bestuderen van materialen voor batterij-elektroden, omdat hun structuren vaak van gebied tot gebied verschillen.

"Door het anodemateriaal met röntgenstralen onder verschillende hoeken te raken, bevestigde ik dat het uniform kristallijn was langs het oppervlak en in het interieur", zei Zhou.

Het onderzoek maakte ook gebruik van andere Argonne-mogelijkheden voor het karakteriseren van materialen. Justin Connell, een materiaalwetenschapper in het elektrochemische ontdekkingslaboratorium van Argonne, gebruikte een hulpmiddel genaamd röntgenfoto-elektronspectroscopie om het anodemateriaal te evalueren. Connell schoot röntgenstralen in de anode en stootte er elektronen uit met een bepaalde energie.

"De techniek onthulde dat niobiumatomen meerdere elektronen krijgen als de cel wordt opgeladen", zei Connell. "Dit suggereert dat de anode een hoge opslagcapaciteit heeft."

Argonne-fysicus Sungsik Lee evalueerde ook de winst en het verlies van elektronen van niobium. Hij gebruikte een andere techniek genaamd röntgenabsorptiespectroscopie. Dit omvatte het raken van het anodemateriaal met intense synchrotron-röntgenstralen en het meten van de transmissie en absorptie van de röntgenstralen in het materiaal.

"De techniek gaf een algemeen beeld van de toestand van de elektronen over de hele anode", zei Lee. "Dit bevestigde dat niobium meerdere elektronen krijgt."

Argonne is ongebruikelijk omdat het al deze onderzoekscapaciteiten op zijn campus heeft. Claire Xiong, de hoofdonderzoeker van het onderzoek, deed haar postdoctoraal onderzoek bij Argonne's CNM voordat ze als materiaalwetenschapper aan de Boise State-faculteit begon. Ze was goed bekend met de uitgebreide mogelijkheden van Argonne en had eerder samengewerkt met de wetenschappers van Argonne die aan het onderzoek hebben bijgedragen.

"De faciliteiten en het personeel in Argonne zijn van wereldklasse", zegt Xiong. "Dit werk om de unieke transformatie in niobiumpentoxide te ontdekken, heeft enorm geprofiteerd van de samenwerking met wetenschappers van Argonne. Het heeft ook geprofiteerd van de toegang tot het APS, Electrochemical Discovery Laboratory en CNM."

Het is erg moeilijk om het hoogwaardige, kristallijne niobiumpentoxide te maken met traditionele synthesemethoden, zoals die waarbij materialen worden onderworpen aan hitte en druk. De onconventionele synthesebenadering die in dit onderzoek met succes is gebruikt - het opladen en ontladen van een batterijcel - zou kunnen worden toegepast om andere innovatieve batterijmaterialen te maken. Het zou mogelijk zelfs de fabricage van nieuwe materialen op andere gebieden, zoals halfgeleiders en katalysatoren, kunnen ondersteunen. + Verder verkennen

Onderzoekers ontdekken innovatieve benadering om nieuwe materialen voor lithium-ionbatterijen te maken