Onderzoekers van de Boise State University hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor het maken van nieuwe materialen voor lithium-ionbatterijen. Uitgaande van een amorf (d.w.z. een materiaal dat geen langeafstandsorde heeft) niobiumoxide, ontdekte het team dat alleen al de handeling van het materiaal met lithium een ​​transformatie naar een nieuw kristallijn Nb₂ veroorzaakt. O₅ anode met uitzonderlijke Li-opslag en snel fietsen. Dit proces kan mogelijk worden gebruikt om andere lithium-ionbatterijmaterialen te maken die niet eenvoudig met traditionele middelen kunnen worden gemaakt.

De studie, gezamenlijk geleid door onderzoekers in de laboratoria van Hui (Claire) Xiong, een professor in materiaalkunde en engineering aan de Boise State University, en Shyue Ping Ong, een professor in nano-engineering aan de University of California San Diego, werd gepubliceerd in Natuurmaterialen .

De ontdekking van nieuwe materialen voor lithium-ionbatterijen heeft een hernieuwde urgentie gekregen. Gevoed door stijgende gasprijzen, is de vraag naar elektrische voertuigen (EV's) enorm gestegen, en daarmee ook naar de lithium-ionbatterijen die ze aandrijven. De huidige lithium-ionbatterijen zijn echter nog steeds te duur en laden te langzaam op.

"Lithium-ionbatterijen zijn de toonaangevende technologie voor de markt voor oplaadbare batterijen, maar er is ook een toename in de vraag naar batterijen met een hoog energieverbruik en snellere oplaadtijden", zegt Pete Barnes, een Ph.D. alumnus van Xiong's Electrochemical Energy Materials Lab in de Micron School of Materials Science and Engineering en de hoofdauteur van het werk. "Als je je EV 15 minuten wilt opladen en dan de volgende 200 of 300 mijl op pad wilt gaan, heb je nieuwe batterij-elektroden nodig die zeer snel kunnen worden opgeladen zonder veel prestatieverlies."

Een van de grootste knelpunten bij het opladen in de huidige lithium-ionbatterijen is de anode. De meest voorkomende anode is gemaakt van grafiet, dat zeer energiedicht is, maar niet te snel kan worden opgeladen vanwege het risico op brand en explosies door een proces dat bekend staat als lithiummetaalplating. Intercalatie metaaloxiden, zoals het steenzout Nb₂ O₅ materiaal dat door het team is ontdekt, zijn veelbelovende anode-alternatieven vanwege het verminderde risico op lithiumplating bij lage spanningen.

Om het nieuwe anodemateriaal te creëren, ontwikkelde de groep van Xiong een innovatieve nieuwe techniek die elektrochemisch geïnduceerde amorf-naar-kristallijne transformatie wordt genoemd. De nieuwe elektrode kan een hoge lithiumopslag van 269 mAh/g bereiken bij een laadsnelheid van 20 mA/g, en nog belangrijker, blijft een hoge capaciteit van 191 mAh/g behouden bij een hoge laadsnelheid van 1 A/g.

"Het meest opwindende aspect van dit werk is de ontdekking van een volledig nieuwe benadering om nieuwe lithium-ionbatterij-elektroden te maken," zei Xiong. "De truc is om uit te gaan van een hogere energiefase, zoals een amorf materiaal. Door het materiaal met lithium te fietsen, kunnen we nieuwe kristallijne arrangementen maken die verbeterde eigenschappen vertonen die verder gaan dan die gemaakt via traditionele middelen zoals vaste-stofreacties."

De uitzonderlijke prestatie van de anode is te danken aan de ongeordende steenzout- of DRX-structuur, die lijkt op gewoon keukenzout, maar met de Li- en Nb-atomen die op een willekeurige manier zijn gerangschikt. Hoewel DRX-kathodematerialen bekend zijn, zijn DRX-anoden relatief zeldzaam. Met behulp van computationele technieken, Yunxing Zuo, een Ph.D. alumnus van Ong's Materials Virtual Lab aan de UC San Diego, toonde aan dat het proces van het inbrengen van Li in amorf Nb₂ O₅ geeft materiaalwetenschappers toegang tot metastabiele materialen. Het team ontwikkelde ook een metriek om andere metaaloxiden te identificeren die mogelijk op een vergelijkbare manier kunnen worden gesynthetiseerd. De berekeningen laten ook zien dat de DRX-structuur paden bevat voor snelle lithiumdiffusie, wat resulteert in hoge snelheidsprestaties.

"Wij geloven dat dit werk slechts het begin is van een geheel nieuwe manier van denken over materiaalsynthese", zegt Ong. "Atomen organiseren zichzelf graag op een bepaalde manier. Wanneer we materialen op de traditionele manier maken, krijgen we meestal dezelfde arrangementen steeds weer opnieuw. Deze nieuwe aanpak opent een veelbelovende weg voor het creëren van andere onconventionele metaaloxiden."

Het team werkte ook samen met Drs. Sungsik Lee, Justin Connell, Hua Zhou en Yuzi Liu van het Argonne National Laboratory, profs. Paul Davis, Paul Simmonds en Dr. Darin Schwartz uit Boise State, en Drs. Yingge Du en Zihua Zhu van het Pacific Northwest National Laboratory. + Verder verkennen

Reactieve elektrolytadditieven verbeteren de prestaties van lithium-metaalbatterijen