Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een lange geschiedenis van baanbrekende ontdekkingen met lithium-ionbatterijen. Veel van deze ontdekkingen waren gericht op een batterijkathode die bekend staat als NMC, een nikkel-mangaan-kobaltoxide. Batterijen met deze kathode voeden nu de Chevy Bolt.

Onderzoekers van Argonne hebben met de NMC-kathode opnieuw een doorbraak bereikt. De nieuwe structuur van het team voor de microdeeltjes van de kathode zou kunnen leiden tot duurzamere en veiligere batterijen die kunnen werken op zeer hoge spanning en voertuigen kunnen aandrijven voor een groter rijbereik. Een artikel over dit onderzoek verscheen in Nature Energy .

"De huidige NMC-kathode vormt een grote barrière voor gebruik bij hoogspanning", zegt Guiliang Xu, assistent-chemicus. Met laad-ontlaadcycli nemen de prestaties snel af als gevolg van de vorming van scheuren in de kathodedeeltjes. Al tientallen jaren zoeken batterijonderzoekers naar manieren om deze scheuren te elimineren.

Een eerdere benadering omvatte bolvormige deeltjes op microschaal die uit talrijke veel kleinere deeltjes bestonden. De grote bolvormige deeltjes zijn polykristallijn, met verschillend georiënteerde kristallijne gebieden. Als gevolg hiervan hebben ze wat wetenschappers korrelgrenzen tussen deeltjes noemen, die scheuren veroorzaken bij het fietsen van de batterij. Om dit te voorkomen, hadden Xu en Argonne-collega's eerder een beschermende polymeercoating rond elk deeltje ontwikkeld. Deze coating omringt de grote bolvormige deeltjes en kleinere erin.

Een andere benadering om dit barsten te voorkomen, betreft monokristallijne deeltjes. Elektronenmicroscopie van deze deeltjes gaf aan dat ze geen grenzen hebben.

Het probleem waarmee het team werd geconfronteerd, was dat kathodes gemaakt van zowel gecoate polykristallen als eenkristallen nog steeds scheuren vormden tijdens het fietsen. Dus onderwierpen ze deze kathodematerialen aan uitgebreide analyses bij de Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanoscale Materials (CNM), DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten in Argonne.

Verschillende röntgenanalyses werden uitgevoerd bij vijf APS-bundellijnen (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C en 34-ID-E). Het bleek dat wat wetenschappers dachten dat het eenkristallen waren, zoals blijkt uit elektronen- en röntgenmicroscopie, eigenlijk grenzen aan de binnenkant had. Scanning- en transmissie-elektronenmicroscopie bij CNM bevestigden de bevinding.

"Als we kijken naar de oppervlaktemorfologie van deze deeltjes, zien ze eruit als eenkristallen", zei natuurkundige Wenjun Liu. "Maar als we een techniek gebruiken die synchrotron-röntgendiffractiemicroscopie en andere technieken bij het APS wordt genoemd, ontdekken we dat er grenzen aan de binnenkant verborgen zijn."

Belangrijk is dat het team een ​​methode heeft ontwikkeld om grensvrije eenkristallen te produceren. Testen van kleine cellen met dergelijke eenkristalkathodes bij zeer hoge spanning toonde een toename van 25% in energieopslag per volume-eenheid, met bijna geen prestatieverlies gedurende 100 testcycli. Daarentegen nam de capaciteit gedurende dezelfde levensduur met 60% tot 88% af in NMC-kathoden die zijn samengesteld uit eenkristallen met veel interne grenzen of met gecoate polykristallen.

Berekeningen op atomaire schaal onthulden het mechanisme achter de capaciteitsvermindering in de kathode. Volgens nanowetenschapper Maria Chan van CNM zijn grenzen, vergeleken met de regio's daarbuiten, kwetsbaarder voor het verlies van zuurstofatomen wanneer de batterij wordt opgeladen. Dit zuurstofverlies leidt tot afbraak met celcycli.

"Onze berekeningen lieten zien hoe grenzen leiden tot het vrijkomen van zuurstof bij hoge spanning en dus tot prestatievermindering," zei Chan.

Het elimineren van de grenzen voorkomt het vrijkomen van zuurstof en verbetert daardoor de veiligheid en stabiliteit van de kathode tijdens het fietsen. Zuurstofafgiftemetingen bij APS en de Advanced Light Source in het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE ondersteunden deze bevinding.

"We hebben nu richtlijnen die batterijfabrikanten kunnen gebruiken om kathodemateriaal te maken dat grensvrij is en werkt op hoogspanning", zegt Khalil Amine, een Argonne Distinguished Fellow. "En de richtlijnen zouden van toepassing moeten zijn op andere kathodematerialen dan NMC." + Verder verkennen

De ontdekking van cruciale batterijen kan van invloed zijn op transport en het netwerk