Als de vraag naar smartphones, elektrische voertuigen, en hernieuwbare energie blijft stijgen, wetenschappers zoeken naar manieren om lithium-ionbatterijen te verbeteren - het meest voorkomende type batterij in huiselektronica en een veelbelovende oplossing voor energieopslag op netschaal. Het verhogen van de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen zou de ontwikkeling van geavanceerde technologieën met batterijen met een lange levensduur kunnen vergemakkelijken, evenals het wijdverbreide gebruik van wind- en zonne-energie. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van het bereiken van dat doel.

Een samenwerking onder leiding van wetenschappers van de University of Maryland (UMD), het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), en het U.S. Army Research Lab hebben een nieuw kathodemateriaal ontwikkeld en bestudeerd dat de energiedichtheid van lithium-ionbatterij-elektroden zou kunnen verdrievoudigen. Hun onderzoek werd op 13 juni gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Lithium-ionbatterijen bestaan ​​uit een anode en een kathode, " zei Xiulin Fan, een wetenschapper bij UMD en een van de hoofdauteurs van het artikel. "Vergeleken met de grote capaciteit van de commerciële grafietanodes die worden gebruikt in lithium-ionbatterijen, de capaciteit van de kathoden is veel beperkter. Kathodematerialen zijn altijd de bottleneck voor het verder verbeteren van de energiedichtheid van lithium-ionbatterijen."

Wetenschappers van UMD hebben een nieuw kathodemateriaal gesynthetiseerd, een gemodificeerde en gemanipuleerde vorm van ijzertrifluoride (FeF3), die is samengesteld uit kosteneffectieve en milieuvriendelijke elementen - ijzer en fluor. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het gebruik van chemische verbindingen zoals FeF3 in lithium-ionbatterijen omdat ze inherent hogere capaciteiten bieden dan traditionele kathodematerialen.

"De materialen die normaal in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, zijn gebaseerd op intercalatiechemie, " zei Enyuan Hu, een chemicus in Brookhaven en een van de hoofdauteurs van het artikel. "Dit type chemische reactie is zeer efficiënt, maar het draagt ​​slechts een enkel elektron over, dus de kathodecapaciteit is beperkt. Sommige verbindingen zoals FeF3 zijn in staat om meerdere elektronen over te dragen via een complexer reactiemechanisme, een conversiereactie genoemd."

Ondanks het potentieel van FeF3 om de kathodecapaciteit te vergroten, de verbinding heeft in het verleden niet goed gewerkt in lithium-ionbatterijen vanwege drie complicaties met zijn omzettingsreactie:slechte energie-efficiëntie (hysterese), een langzame reactiesnelheid, en nevenreacties die een slecht fietsleven kunnen veroorzaken. Om deze uitdagingen te overwinnen, de wetenschappers voegden kobalt- en zuurstofatomen toe aan FeF3-nanostaafjes via een proces dat chemische substitutie wordt genoemd. Hierdoor konden de wetenschappers het reactiepad manipuleren en meer 'omkeerbaar' maken.

"Wanneer lithiumionen in FeF3 worden ingebracht, het materiaal wordt omgezet in ijzer en lithiumfluoride, " zei Sooyeon Hwang, een co-auteur van het artikel en een wetenschapper bij Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Echter, de reactie is niet volledig omkeerbaar. Na vervanging door kobalt en zuurstof, het hoofdraamwerk van het kathodemateriaal wordt beter behouden en de reactie wordt meer omkeerbaar."

Om de reactieroute te onderzoeken, de wetenschappers voerden meerdere experimenten uit bij CFN en de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - twee DOE Office of Science User Facilities in Brookhaven.

Eerst bij CFN, de onderzoekers gebruikten een krachtige elektronenstraal om naar de FeF3-nanostaafjes te kijken met een resolutie van 0,1 nanometer - een techniek die transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) wordt genoemd. Het TEM-experiment stelde de onderzoekers in staat om de exacte grootte van de nanodeeltjes in de kathodestructuur te bepalen en te analyseren hoe de structuur veranderde tussen verschillende fasen van het ladings-ontladingsproces. Ze zagen een hogere reactiesnelheid voor de gesubstitueerde nanostaafjes.

"TEM is een krachtig hulpmiddel voor het karakteriseren van materialen op zeer kleine lengteschalen, en het is ook in staat om het reactieproces in realtime te onderzoeken, " zei Dong Su, een wetenschapper bij CFN en een co-corresponderende auteur van de studie. "Echter, we kunnen slechts een zeer beperkt gebied van het monster zien met behulp van TEM. We moesten vertrouwen op de synchrotron-technieken bij NSLS-II om te begrijpen hoe de hele batterij werkt."

Bij NSLS-II's X-ray Powder Diffraction (XPD) bundellijn, wetenschappers richtten ultraheldere röntgenstralen door het kathodemateriaal. Door te analyseren hoe het licht werd verstrooid, de wetenschappers konden aanvullende informatie over de structuur van het materiaal "zien".

"Bij XPD, we hebben metingen van de paarverdelingsfunctie (PDF) uitgevoerd, die in staat zijn om lokale ijzerorders over een groot volume te detecteren, " zei Jianming Bai, een co-auteur van het papier en een wetenschapper bij NSLS-II. "De pdf-analyse van de ontladen kathoden onthulde duidelijk dat de chemische substitutie de elektrochemische omkeerbaarheid bevordert."

Het combineren van zeer geavanceerde beeldvormings- en microscopietechnieken bij CFN en NSLS-II was een cruciale stap voor het beoordelen van de functionaliteit van het kathodemateriaal.

"We hebben ook geavanceerde computationele benaderingen uitgevoerd op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie om het reactiemechanisme op atomaire schaal te ontcijferen, " zei Xiao Ji, een wetenschapper bij UMD en co-auteur van het artikel. "Deze benadering onthulde dat chemische substitutie de reactie naar een zeer omkeerbare toestand verschoof door de deeltjesgrootte van ijzer te verminderen en de steenzoutfase te stabiliseren." Wetenschappers van UMD zeggen dat deze onderzoeksstrategie kan worden toegepast op andere hoogenergetische conversiematerialen, en toekomstige studies kunnen de benadering gebruiken om andere batterijsystemen te verbeteren.