In recente jaren, op lithium gebaseerde batterijen worden op grote schaal gebruikt om een ​​breed scala aan elektronische apparaten van stroom te voorzien, inclusief tabletten, smartphones en draagbare computers. Deze batterijen hebben verschillende compartimenten, cellen genoemd, die elk een positieve elektrode en een negatieve elektrode bevatten, gescheiden door een chemische stof die bekend staat als een elektrolyt.

Positieve elektroden zijn over het algemeen samengesteld uit lithiumverbindingen, zoals LiCoO ₂ of LiFePO ₄ , terwijl negatieve elektroden meestal van koolstof zijn. De elektrolyt die ze scheidt, anderzijds, kan worden gemaakt van een verscheidenheid aan chemische stoffen.

Gezien de snelle groei in het gebruik van lithium-ionbatterijen, onderzoekers over de hele wereld hebben geprobeerd materialen te identificeren die hun efficiëntie en prestaties zouden kunnen verbeteren. Ideaal, deze materialen zouden elementen moeten bevatten die overvloedig aanwezig zijn op de planeet en een hoge energiedichtheid hebben.

Onderzoekers van de University of California Berkeley en het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben onlangs een nieuwe strategie geïntroduceerd voor het ontwerpen van elektrodematerialen voor op lithium gebaseerde batterijen met een opmerkelijk hoge vermogens- en energiedichtheid. Deze strategie, geschetst in een paper gepubliceerd in Natuur Energie , omvat het gebruik van twee bulk oxyfluorides met een gedeeltelijke spinel-achtige orde, namelijk Li _1.68 Mn _1.6 O _3.7 F _0.3 en Li _1.68 Mn _1.6 O _3.4 F _0,6 . De onderzoekers synthetiseerden deze twee oxyfluoriden met behulp van een techniek die bekend staat als mechanochemische legering.

"We laten zien dat het combineren van een gedeeltelijke spinelachtige kationorde en een aanzienlijke lithiumovermaat zowel dichte als snelle energieopslag mogelijk maakt, " schreven de onderzoekers in hun paper. "Kation-overstoichiometrie en de resulterende partiële volgorde wordt gebruikt om de faseovergangen die typisch zijn voor geordende spinellen te elimineren en een grotere praktische capaciteit mogelijk te maken, terwijl lithiumoverschot synergetisch wordt gebruikt met fluorsubstitutie om een ​​hoge lithiummobiliteit te creëren."

De door de onderzoekers geïntroduceerde benadering voor het ontwerpen van kathodematerialen is tot nu toe veelbelovend gebleken. In een reeks voorafgaande experimenten, de resulterende kathoden bereikten opmerkelijke energieën van meer dan 1, 100 Wh kg ^-1 , ontladingssnelheden tot 20 A g ^-1 en een capaciteit boven 360 mA h g ^-1 _, , die tot nu toe een van de hoogste is die tot nu toe is gerapporteerd. Bovendien, een groot deel van deze capaciteit bleef in de tijd behouden, zelfs wanneer de batterijen meerdere keren werden opgeladen.

interessant, bijna de helft van de capaciteit was het gevolg van een proces dat bekend staat als zuurstofredox (d.w.z. oxidatiereductie). Hoewel dit fenomeen op grote schaal is onderzocht in Li-rijke gelaagde Ni-Mn-Co-oxiden of in ongeordende steenzouten, het is zelden waargenomen in kathoden van het spinel-type, zoals degene die door de onderzoekers zijn gesynthetiseerd.

In hun experimenten, de onderzoekers waren ook in staat om kation-overstoichometrie en Li-overmaat te optimaliseren, twee chemische eigenschappen die kunnen helpen bij het afstemmen van de structuur van elektrodematerialen. Hierdoor konden ze een aantal gewenste kathodekenmerken bereiken, zoals snelle Li-transportkinetiek en uitstekende spanningsprofielen.

In de toekomst, de ontwerpstrategie zou als richtlijn kunnen dienen voor de realisatie van kathodematerialen voor op lithium gebaseerde batterijen met hoge vermogens- en energiedichtheden. Bovendien, de twee oxyfluoriden die in hun onderzoek zijn gesynthetiseerd, kunnen worden gebruikt om nieuwe, hoog presterende batterijen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk