science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

De zelfverbetering van lithium-ionbatterijen

Amorfe titaniumoxide nanobuisjes, bij het inbrengen van lithium in een Li-ionbatterij, zelf de kubieke lithium-titaanoxidestructuur met de hoogste capaciteit creëren

(Phys.org)—De zoektocht naar schone en groene energie in de 21e eeuw vereist een betere en efficiëntere batterijtechnologie. De sleutel tot het bereiken van dat doel kan liggen in het ontwerpen en bouwen van batterijen, niet van boven naar beneden, maar van onder naar boven - beginnend op nanoschaal. Een team van onderzoekers van het Argonne National Laboratory en de University of Chicago heeft een dergelijke benadering gekozen door titaniumdioxide (TiO 2 ) elektroden die hun eigen elektrochemische prestaties daadwerkelijk kunnen verbeteren als ze worden gebruikt.

De onderzoekers synthetiseerden TiO 2 nanobuisjes en assembleerde ze tot Li-ion knoopcellen, vervolgens galvanostatisch gefietst tussen 0,8 V en 2,0 V. Elektrodemonsters van de cellen werden vervolgens onderzocht met behulp van röntgendiffractie (XRD) bij de GeoSoilEnvirioCARS 13-ID-D-inbrengapparaatbundellijn en röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) bij de X -ray Science Division 20-BM buigende magneetstraallijn, beide bij de Advanced Photon Source van het Amerikaanse Department of Energy in Argonne.

Naast de synthese van het TiO 2 nanobuisjes, scanning elektronenmicroscopie beeldvorming en moleculaire dynamica simulaties werden ook uitgevoerd in het Argonne Center for Nanoscale Materials. Al deze technieken boden inzicht in de opname en verwijdering van ionen (intercalatie/de-intercalatieproces) die plaatsvinden in de TiO 2 nanobuisjes.

Met behulp van de amorfe nanoschaal TiO 2 nanobuisjes als anode in lithium halfcellen, de onderzoekers merkten een consistent lineair afnemende spanning op tijdens de eerste ontlading, gevolgd door een "bult" bij ~ 1,1 V versus Li/Li+. Dit duidde op een onomkeerbare faseovergang in het nanobuismateriaal.

Bij volgende cycli, Li+ ionen omkeerbaar geïntercaleerd/gedeïntercaleerd in de TiO 2 nanobuisjes met capaciteiten die veel verder gaan dan die waargenomen in andere TiO 2 variëteiten zoals anataas.

Het team concludeerde dat dit te wijten is aan een andere structuur of intercalatiemechanisme die optreedt als gevolg van de faseovergang. Vergeleken met anataas, de fase-getransformeerde TiO 2 nanobuisanode vertoonde een sterk verbeterde Li-ion-diffusie, vooral bij hoge fietstarieven. De TiO 2 nanobuisanode toonde zowel een veel hogere energie als een hoger vermogen in vergelijking met zijn structurele TiO 2 nichten en neven, die een afname van de capaciteit vertoonde in vergelijkbare experimenten met snelle cycli.

De XRD- en XAS-onderzoeken, samen met computationele simulaties, weergegeven hoe de anodestructuur verandert tijdens het fietsen. Boven ~ 1,1 V, er werden geen veranderingen waargenomen bij het fietsen, maar onder 1,1 V, een zeer symmetrische, dicht opeengepakte kubieke zuurstofkristallijne structuur gevormd, met Ti en Li willekeurig verdeeld over octaëdrische locaties.

interessant, het type korteafstandsvolgorde dat in zo'n volledig geordend octaëdrisch systeem zou worden verwacht, ontwikkelt zich in dit geval blijkbaar niet. Echter, dit heeft geen invloed op de thermodynamische stabiliteit, en de kubische structuur bleef zowel zeer stabiel als omkeerbaar na de faseovergang.

Het lijkt erop dat de intercalatie/de-intercalatie van Li+-ionen een nieuwe structuur initieert die een nog betere intercalatie van Li+-ionen mogelijk maakt. Omdat alle lagen van de nieuwe structuur metaalatomen behouden, zelfs in geladen toestand, de kubische fase van het materiaal blijft behouden. Moleculaire dynamische simulaties van Li-ion diffusie in andere soorten TiO 2 structuren toonden aan dat de meest efficiënte diffusie en de laagste activeringsbarrière (0,257 eV) optreedt in de amorfe kubische Li 2 Ti 2 O 4 formulier, vergeleken met andere TiO 2 variëteiten zoals, opnieuw, anataas.

De amorf tot kubieke TiO 2 nanobuisanode werd getest in een volledige celconfiguratie met een spinelkathode van 5 V (LiNi0.5Mn1.5O4). Bij herhaald fietsen, de cel vertoonde een gemiddelde spanning van 2,8 V en verbeterde capaciteit.

Een ander duidelijk voordeel van de TiO 2 nanobuisanode is dat omdat het geen capaciteitsdegradatie heeft, het vermijdt Li-plating bij de grafietanode en overpotentialen van de elektrode die mogelijke veiligheidsrisico's in andere soorten Li-ion-batterijen veroorzaken.

Door een elektrodemateriaal op nanoschaal te creëren dat zichzelf in een efficiëntere en krachtigere elektrochemische structuur kan ordenen omdat het wordt onderworpen aan herhaaldelijk ontladen en opladen, het onderzoeksteam heeft een nieuw pad gesmeed voor het ontwerpen en ontwikkelen van hogere capaciteit, hogere kracht, veiligere batterijen. In onze wereld van smartphonetechnologie en elektrische auto's, het belang van een dergelijk voorschot kan nauwelijks worden overschat.