Wetenschappers van Tokyo Tech en Okayama University hebben de prestaties van LiCoO . aanzienlijk verbeterd ₂ kathoden in Li-ion batterijen door ze te decoreren met BaTiO ₃ nanopunten. Het belangrijkste is, ze lichtten het mechanisme achter de meetresultaten toe, concluderen dat de BaTiO ₃ nanodots creëren een speciale interface waardoor Li-ionen gemakkelijk kunnen circuleren, zelfs bij zeer hoge laad-/ontlaadsnelheden.

Vandaag, moderne ontwikkelingen op het gebied van elektrische apparaten en voertuigen hebben geleid tot de behoefte aan verbeterde batterijen op het gebied van stabiliteit, oplaadbaarheid, en laadsnelheden. Hoewel Li-ionbatterijen (LIB's) zeer nuttig zijn gebleken, het is niet mogelijk om ze snel genoeg op te laden met hoge stromen zonder in problemen te komen zoals plotselinge afname van cyclability en outputcapaciteit vanwege hun intrinsieke hoge weerstand en ongewenste nevenreacties.

De negatieve effecten van dergelijke ongewenste reacties belemmeren LIB's met LiCoO ₂ (LCO) als kathodemateriaal. Een daarvan betreft de ontbinding van Co ₄ ⁺ ionen in de elektrolytoplossing van de batterij tijdens laad-/ontlaadcycli. Een ander effect is de vorming van een vast elektrolyt-interface tussen het actieve materiaal en de elektrode in deze batterijen, die de beweging van Li-ionen belemmert en zo de prestaties verslechtert.

In een eerdere studie, wetenschappers meldden dat het gebruik van materialen met een hoge diëlektrische constante, zoals BaTiO ₃ (BTO) verbeterde de hogesnelheidsprestaties van LCO-kathoden. Echter, het mechanisme achter de waargenomen verbeteringen was onduidelijk. Om licht te werpen op deze veelbelovende aanpak, een team van wetenschappers van Tokyo Tech, onder leiding van prof. Mitsuru Itoh, Dr. Shintaro Yasui en de heer Sou Yasuhara, bestudeerde LCO-kathodes met BTO op verschillende manieren toegepast om meer in detail te achterhalen wat er gebeurde op de BTO-LCO-interface.

Het team creëerde drie LCO-kathodes:een kale, een bedekt met een laag BTO, en een bedekt met BTO nanodots (Figuur 1). Het team modelleerde ook een LCO-kathode met een enkele BTO-nanodot en voorspelde dat de stroomdichtheid dicht bij de rand van de BTO-nanodot erg hoog was. Dit specifieke gebied wordt de driefasige interface (BTO-LCO-elektrolyt) genoemd, en het bestaan ​​ervan heeft de elektrische prestaties van de kathode die is bedekt met microscopisch kleine BTO-nanodots aanzienlijk verbeterd.

Zoals verwacht, na het testen en vergelijken van de drie kathoden die ze hebben voorbereid, het team ontdekte dat degene met een laag BTO-punten veel betere prestaties vertoonde, zowel qua stabiliteit als afvoercapaciteit. "Onze resultaten tonen duidelijk aan dat decoreren met BTO-nanodots een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de recycleerbaarheid en het verminderen van weerstand, " stelt Itoh. Beseffend dat de BTO-punten een cruciaal effect hadden op de beweeglijkheid van Li-ionen in de kathode, het team zocht een verklaring.

Na bestudering van hun meetresultaten, het team concludeerde dat BTO-nanodots paden creëren waardoor Li-ionen gemakkelijk kunnen intercaleren / de-intercaleren, zelfs bij zeer hoge laad-/ontlaadsnelheden (Figuur 2). Dit komt omdat het elektrische veld zich concentreert rond materialen met een hoge diëlektrische constante. Bovendien, de vorming van een vaste elektrolytinterface wordt sterk onderdrukt in de buurt van de driefaseninterface, die anders tot een slechte recycleerbaarheid zouden leiden. "Het mechanisme waarmee de vorming van een vaste elektrolytinterface wordt geremd nabij de driefaseninterface is nog steeds onduidelijk, " merkt Itoh op.

Hoewel er nog veel onderzoek moet worden gedaan naar dit onderwerp, de resultaten zijn veelbelovend en wijzen op een nieuwe manier om LIB's sterk te verbeteren. Dit kan een belangrijke stap zijn om te voldoen aan de eisen van moderne en toekomstige apparaten.