Onderzoekers onder leiding van een team van de Universiteit van Californië in San Diego hebben werk gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Energie dat verklaart wat de prestatieverlagende "spanningsvervaging" veroorzaakt die momenteel een veelbelovende klasse van kathodematerialen plaagt, genaamd Lithium-rijke NMC (nikkel-magnesium-kobalt) gelaagde oxiden.

Deze kathodematerialen hebben in de loop der jaren veel aandacht gekregen als veelbelovende componenten voor betere oplaadbare batterijen voor elektrische voertuigen.

Nadat een batterij een reeks laad-ontlaadcycli heeft doorlopen, de spanning vervaagt en de hoeveelheid energie die het kan bevatten, en later vrijgeven voor gebruik, vervaagt ook. Het nieuwe onderzoek verklaart waarom dit gebeurt in lithiumrijke NMC-kathodematerialen. Vooral, de onderzoekers identificeerden defecten of dislocaties op nanoschaal in lithiumrijke NMC-kathodematerialen terwijl de batterijen werden opgeladen met een reeks spanningen tot 4,7 volt.

"De dislocaties zijn extra atomaire lagen die niet passen in de anders perfect periodieke kristalstructuur, " zei Andrej Singer, de hoofdauteur die dit werk uitvoerde als postdoctoraal onderzoeker aan de UC San Diego. "Het ontdekken van deze dislocaties was een grote verrassing:als er iets was, we verwachtten dat de extra atomaire lagen in een geheel andere oriëntatie zouden voorkomen, " zei zanger, die nu op de faculteit van de Cornell University zit. Door experimenteel bewijs te combineren met theorie, het onderzoeksteam concludeerde dat de nucleatie van dit specifieke type dislocatie resulteert in spanningsvervaging.

De oorsprong van spanningsvervaging kennen, het team toonde aan dat de warmtebehandeling van de kathodematerialen de meeste defecten elimineerde en de oorspronkelijke spanning herstelde. Ze plaatsten de warmtebehandelde kathodes in nieuwe batterijen en testten ze bij een reeks spanningen tot 4,7 volt, waaruit blijkt dat de spanningsvervaging was omgekeerd.

Hoewel de warmtebehandelingsbenadering voor het omkeren van de defecten arbeidsintensief is en waarschijnlijk niet zal schalen, de op natuurkunde en materiaalkunde gebaseerde benadering voor het karakteriseren en vervolgens aanpakken van de nanoschaaldefecten biedt belofte voor het vinden van nieuwe oplossingen voor het spanningsvervagingsprobleem.

"Ons artikel gaat vooral over het ontrafelen van het mysterie van de dislocaties die spanningsvervaging veroorzaken in lithiumrijke NMC's. We hebben nog geen schaalbare oplossing om het spanningsvervagingsprobleem in lithiumrijke NMC's op te lossen, maar we boeken vooruitgang, ", zei Shirley Meng, professor nanoengineering van UC San Diego. Zij en professor Oleg Shpyrko, professor natuurkunde aan de UC San Diego, zijn de hoofdauteurs van de nieuwe Natuur Energie papier.

"Een van de ernstigste problemen voor lithiumrijke NMC-kathodematerialen is spanningsvervaging, " zei papier auteur Minghao Zhang, een recent afgestudeerde van de nanoengineering Ph.D. programma aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering, waar hij nu postdoctoraal onderzoeker is.

Spanningsvervaging vermindert de energiedichtheid van de batterij, wat op zijn beurt de praktische toepassingen van deze materialen beperkt, ondanks hun hoge energiedichtheid in de initiële laad-ontlaadcycli.

"Ons werk toont voor de eerste keer duidelijk aan dat het ontstaan ​​van defecten en het accumuleren van defecten in de structuur van lithiumrijke NMC-materialen de oorzaak zijn van spanningsvervaging, " zei Zhang. "Op basis van deze uitleg, we ontwierpen een warmtebehandelingsregime en toonden vervolgens aan dat de warmtebehandelingen de defecten in de bulkstructuur verwijderden en de uitgangsspanning van de batterij herstelden."

Batterijdetails vastzetten

"Technische oplossingen moeten gebaseerd zijn op solide wetenschap. Als je niet weet wat er aan de hand is, dan zijn uw mitigatiestrategieën minder effectief. En ik denk dat dat dit materiaal heeft gehinderd, " zei Shirley Meng, professor nano-engineering van de UC San Diego, verwijzend naar het al lang bestaande gebrek aan duidelijkheid over wat er op nanoschaal gebeurt dat de spanningsvervaging in deze veelbelovende kathodematerialen veroorzaakt.

Meng, Shpyrko en hun respectievelijke laboratoria en medewerkers zijn uniek bedreven in beeldvorming, karakteriseren en berekenen wat er met batterijen gebeurt, op nanoschaal, terwijl ze aan het opladen zijn. Dankzij hun gecombineerde expertise kan het team ongekende inzichten verkrijgen uit röntgenbeeldgegevens van batterijen terwijl ze worden opgeladen.

"In staat zijn om de structuur van materialen en apparaten direct in beeld te brengen onder bedrijfsomstandigheden en met een resolutie op nanoschaal, is een van de grote uitdagingen in onze zoektocht naar het ontwerpen en ontdekken van nieuwe functionele materialen, " zei Oleg Shpyrko, hoogleraar natuurkunde aan de UC San Diego. "De inspanningen van onze groep bij het ontwikkelen van nieuwe röntgenbeeldvormingstechnieken zijn gericht op fundamenteel begrip en uiteindelijk controle van defectvorming. Ons in-operando beeldvormingsstudies wijzen op nieuwe manieren om de spanningsvervaging in energieopslagmaterialen van de volgende generatie te verminderen."

Deze samenwerking maakt deel uit van het interdisciplinaire werk van het UC San Diego Sustainable Power and Energy Center, waar Shirley Meng als directeur fungeert, en Oleg Shpyrko fungeert als co-directeur. Het onderzoek bij het Sustainable Power and Energy Centre strekt zich uit van theoretisch onderzoek via experimenten en materiaalkarakterisering tot het in de praktijk testen van apparaten op het microgrid van de campus.

Onderzoeksdetails

In de Natuur Energie papier, de auteurs schrijven:"We leggen de kiemvorming van een dislocatienetwerk direct vast in primaire nanodeeltjes van een LRLO-materiaal met hoge capaciteit [een lithiumrijke NMC-kathode] tijdens elektrochemische lading. Gebaseerd op de ontdekking van defectvorming en eerste-principesberekeningen, we identificeren de oorsprong van de spanningsvervaging, waardoor we een innovatieve behandeling kunnen ontwerpen en experimenteel kunnen demonstreren om de spanning in LRLO te herstellen."

De ter plaatse Bragg coherente diffractieve beeldvormingstechniek, uitgevoerd in het Argonne National Lab, stelt de onderzoekers in staat om tijdens het opladen van een batterij direct het inwendige van een nanodeeltje in beeld te brengen. De analyses en reconstructies van deze gegevens door het team bieden ongekende inzichten in wat er werkelijk gebeurt terwijl batterijen worden opgeladen. De onderzoekers voerden een aantal observatiestudies uit terwijl batterijmaterialen werden opgeladen over een reeks spanningen van 4 volt tot 4,7 volt. Bij 4,4 volt, identificeerden de onderzoekers een reeks defecten, waaronder edge, schroef en gemengde dislocaties.

De onderzoekers bestudeerden ook momenteel gecommercialiseerde niet-lithiumrijke NMC-materialen en vonden defecten, maar aanzienlijk minder; en er traden geen nieuwe defecten op boven 4,2 volt in de niet-lithiumrijke NMC-materialen.

"Met deze publicatie we hopen een nieuw paradigma te openen voor materiaalwetenschappers om te heroverwegen hoe deze klasse materialen voor energieopslag kunnen worden ontworpen en geoptimaliseerd. Het vereist nog veel meer werk en veel bijdragen uit het veld om het probleem eindelijk op te lossen, " zei Meng. Ze bekleedt de Zable Endowed Chair in Energy Technologies aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Op zoek naar Solid State

Het onderzoek beschreven in de Natuur Energie papier zou uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe kathodematerialen voor solid-state batterijen. Veel onderzoekers, inclusief Meng, beschouw solid-state batterijen als een van de meest veelbelovende toekomstige batterijbenaderingen. Lithiumrijke NMC-kathoden, bijvoorbeeld, werken op hoogspanning en kunnen daarom uiteindelijk worden gecombineerd met elektrolyten in vaste toestand, die ook op hoogspanning werken. Een groot deel van de belangstelling voor solid-state batterijen komt voort uit het feit dat solid-state elektrolyten veiliger worden geacht dan de traditionele vloeibare elektrolyten die worden gebruikt in oplaadbare lithium-ionbatterijen.