Een onderzoeksteam bestaande uit het National Institute for Materials Science (NIMS) en SoftBank Corp. heeft ontdekt dat spanningshysterese in Li₂ RuO₃ – een kathodemateriaal voor oplaadbare batterijen met een hoge energiedichtheid – wordt veroorzaakt door verschillen in de tussenliggende kristallijne fasen die worden gevormd tijdens laad- en ontlaadprocessen. Het onderzoek is gepubliceerd in Energy Storage Materials .

Spanningshysteresis is een fenomeen dat schadelijk is voor lithium (Li)-ion-accu's waarbij de ontlaadspanning aanzienlijk lager wordt dan de laadspanning. Deze resultaten brachten een spanningshysteresis-veroorzakend mechanisme aan het licht dat niet strookt met de conventionele theorie.

Li-rijke elektrodematerialen zijn in staat grotere hoeveelheden Li-ionen op te slaan dan conventionele Li-ion batterijkathodematerialen (bijv. LiCoO₂ ), en Li-ionen kunnen er stabiel uit worden gehaald en erin worden ingebracht. Bovendien is de energiecapaciteit van deze materialen (> 300 mAh/g) ongeveer tweemaal zo groot als die van conventionele kathodematerialen.

Vanwege deze wenselijke eigenschappen is onderzoek gedaan naar Li-rijke elektrodematerialen als levensvatbare kandidaten voor de volgende generatie Li-ion batterijkathodematerialen met hoge energiedichtheid. Ze hebben echter ook een nadeel:een slechte energie-efficiëntie bij het laden/ontladen vanwege de grote spanningshysteresis die optreedt tijdens het laden en ontladen.

Het is algemeen aanvaard door de wetenschappelijke gemeenschap dat spanningshysterese in Li-rijke elektrodematerialen het gevolg is van onomkeerbare veranderingen in hun kristallijne structuren tijdens laden en ontladen. Dit onderzoeksteam concentreerde zich op Li₂ RuO₃ als een model Li-rijk elektrodemateriaal en nauwlettend waargenomen veranderingen in de kristallijne structuur terwijl het werd opgeladen en ontladen.

De kristallijne structuur bleek omkeerbaar te veranderen, en niet onomkeerbaar; tegen het einde van de daaropvolgende ontlading herstelde het zijn oorspronkelijke kristallijne structuur vóór het opladen. Tijdens deze laad-/ontlaadcyclus werd spanningshysteresis waargenomen in Li₂ RuO₃ ondanks de afwezigheid van onomkeerbare veranderingen in de kristallijne structuur – een resultaat dat in strijd is met de conventionele theorie.

Het team analyseerde vervolgens nauwkeurig de veranderingen in de kristallijne structuur in een Li₂ RuO₃ elektrode terwijl deze werd opgeladen en ontladen met behulp van verschillende geavanceerde analytische instrumenten. Deze analyses brachten een discrepantie aan het licht in de tussenliggende kristalfase die werd gevormd tijdens de laad- en ontlaadprocessen, waardoor de spanningshysteresis werd veroorzaakt. Met andere woorden:de spanningshysteresis binnen een Li-rijk elektrodemateriaal lijkt eerder te worden toegeschreven aan verschillende reactiepaden dan aan onomkeerbare veranderingen in de kristallijne structuur.

Op basis van deze resultaten is het onderzoeksteam van plan Li-rijke elektrodematerialen te evalueren, waarbij de nadruk zal liggen op chemische reactiepaden tijdens laad- en ontlaadcycli, naast het meten van spanningshysterese. Verwacht wordt dat deze aanpak de ontwikkeling zal versnellen van Li-rijke elektrodematerialen die zullen voldoen aan zowel hoge capaciteits- als hoge energie-efficiëntie-eisen voor laden/ontladen.

Meer informatie: Marcela Calpa et al, Spanningshysteresis verborgen in een asymmetrisch reactiepad, Energieopslagmaterialen (2023). DOI:10.1016/j.ensm.2023.103051

Aangeboden door het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen