Lithiumrijk overgangsmetaaloxide (Li _1+X m _1-X O ₂ ) kathoden hebben potentieel voor gebruik in Li-ionbatterijen, aandrijven van elektronische apparaten en elektrische voertuigen. Deze kathoden hebben een hoge energiedichtheid, typisch boven 900 Wh kg ^-1 , maar ze hebben momenteel ook aanzienlijke beperkingen.

Het meest cruciale probleem dat wordt waargenomen bij de meeste Li-rijke kathoden is dat ze zuurstof afgeven aan elektrolyten, en daarom, hun spanning neemt af terwijl ze worden gebruikt. Deze aanzienlijke beperking heeft het wijdverbreide gebruik ervan jarenlang verhinderd.

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben onlangs een strategie bedacht die zou kunnen helpen om dit probleem op te lossen. immuniseren van Li-rijke oxide kathodedeeltjes tegen zuurstofafgifte. Deze nieuwe strategie, geschetst in een paper gepubliceerd in Natuur Energie , omvat een gesmolten zoutbehandeling die de afgifte van zuurstof uit Li-rijke eenkristallen naar elektrolyten elimineert door het oppervlaktegebied Li-arm te maken, terwijl nog steeds stabiele zuurstofredox-bijdragen in de deeltjes mogelijk zijn.

"Ons hoofddoel was om de capaciteit van zuurstof voor redoxreacties te gebruiken zonder de gereduceerde zuurstofionen (d.w.z. "peroxo" en "superoxo"-achtig) wereldwijd mobiel, wat betekent dat ze kunnen ontsnappen aan het oppervlak van de kathodedeeltjes en reageren met de elektrolyt in een batterij, "Ju Li, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore.

De gereduceerde zuurstofionen in Li-rijke kathoden lijken enigszins op metaal-peroxo- en metaal-superoxo-complexen; verbindingen waardoor bloed zuurstof transporteert bij dieren. De peroxo (O ^- ) en superoxo (O ^0,5- ) soort, terwijl bijdragende capaciteit, hebben een veel hogere mobiliteit dan de standaard O ^2- . in Li _1+X m _1-X O ₂ kathoden. Deze zuurstofionen kunnen vrij bewegen en uiteindelijk ontsnappen uit de kathodedeeltjes, reageren met en verontreinigen van de vloeibare elektrolyt.

Om dit te voorkomen, Li en zijn collega's implementeerden een behandeling waarbij lithiumoxide (LiO) werd geëxtraheerd met behulp van gesmolten molybdaatzout bij hoge temperaturen. Ze ontdekten dat deze behandeling ervoor zorgt dat het oppervlak de samenstelling Li . krijgt _1-X' m _1+X' O ₂ zonder de continuïteit van het rooster te verstoren of overmatige defecten te creëren (epitaxiaal), dus het verwijderen van peroxo (O ^- ) en superoxo (O ^0,5- ) soorten in de buurt van het oppervlak, voorkomen dat de Li-rijke eenkristallen zuurstof afgeven aan elektrolyten.

"We hebben een immunisatiebehandeling uitgevoerd, dus een oppervlaktegebied van ongeveer ~10 nm dik is zuurstofarm, en zou daarom extra stabiel zijn in batterijcycli, " zei Li. "De immunisatiebehandeling werd uitgevoerd bij een hoge temperatuur van 700°C, dus als we zuurstof en lithium extraheren, herstelt het rooster zichzelf door thermisch uitgloeien en gaat het soepel van Li-rijk naar Li-arm, zonder extra defecten en zonder de perfecte roostercoherentie van het enkelkristallijne deeltje te verliezen."

De immunisatiestrategie die door Li en zijn collega's is bedacht, heeft geen invloed op de metaalvalentietoestanden en de structuur van Li-rijke kristallen in de kathode, waardoor een stabiele zuurstofanion-redox (O ^2- O ^- ) capaciteitsbijdrage terwijl een batterij in bedrijf is. In tests die hun strategie evalueren, de onderzoekers ontdekten dat het resulteerde in een gradiënt hybride anion- en kation-redox (HACR) kathode met een specifieke dichtheid of 843 Wh kg ^-1 na 200 cycli bij 0.2C en 808 Wh kg ^-1 na 100 cycli bij 1C, met een minimale zuurstofafgifte en dus een lager verbruik van het elektrolyt in de batterij.

"Onze studie bewijst dat het mogelijk is om een ​​batterij met een volledige cel met een zeer kleine hoeveelheid elektrolyt (industrieel niveau van 2 g (elektrolyt) / Ah) te fietsen, wat aangeeft dat we het zuurstofverlies hebben gestopt terwijl we de redoxcapaciteit van de zuurstof gebruiken, "Zei Li. "Dit zogenaamde 'vaste zuurstof'-batterijconcept heeft het potentieel om de energiedichtheid van kathoden te verdubbelen."

Door de zuurstofafgifte die typisch wordt waargenomen in Li-rijke kathoden te verminderen, de door Li en zijn collega's bedachte strategie zou uiteindelijk de commercialisering en het wijdverbreide gebruik van op lithium gebaseerde batterijen die door deze kathoden worden aangedreven, kunnen vergemakkelijken. interessant, de in hun studie beschreven immunisatiebehandeling zou ook op andere elementen kunnen worden toegepast, helpen onverwachte oppervlaktereacties in batterijen te onderdrukken of te voorkomen. In hun volgende studies, de onderzoekers zijn van plan om de synthese in de op Li-rijke kathode gebaseerde batterij op te schalen en de gecomprimeerde dichtheid van HACR-kathoden verder te verbeteren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk