Испытательные батареи, в которых использовался этот катодный материал, держались намного лучше при зарядке и разряде при высоком напряжении, необходимом для быстрой зарядки электромобилей, сообщают ученые в статье, опубликованной 11 января в первом выпуске журнала Nature Energy.«Мы смогли спроектировать поверхность таким образом, чтобы предотвратить быстрое уменьшение емкости батареи», — сказал Йицзинь Лю, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC и соавтор отчета.
Результаты потенциально значимы, потому что они открывают путь для создания более дешевых литий-ионных батарей с более высокой плотностью энергии.Хороший никель, плохой никельХимия лежит в основе всех литий-ионных аккумуляторных батарей, которые питают портативную электронику и электромобили, перемещая ионы лития между положительными и отрицательными электродами, погруженными в раствор электролита.
Когда ионы лития перемещаются в катод, химические реакции генерируют электроны, которые можно направить во внешнюю цепь для использования. Перезарядка вытягивает ионы лития из катода и отправляет их на анод.Катоды, изготовленные из оксида никель-марганца и кобальта, или NMC, являются особенно актуальной областью исследований аккумуляторных батарей, поскольку они могут работать при относительно высоких напряжениях, необходимых для хранения большого количества энергии в очень небольшом пространстве.Но хотя никель в NMC дает ему высокую способность накапливать энергию, он также является реактивным и нестабильным, с тенденцией вступать в деструктивные побочные реакции с электролитом.
Со временем это образует корку, похожую на каменную соль, которая блокирует поток ионов лития, сказал соавтор исследования Хуолинь Синь из Брукхейвенской национальной лаборатории.В этом исследовании исследователи экспериментировали со способами включения никеля, но защиты его от электролита.
Частицы, которые защищают себяКоманда во главе с Маркой Дофф из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли распыляла раствор лития, никеля, марганца и кобальта через форсунку распылителя, чтобы сформировать капли, которые разложились в порошок.
Неоднократное нагревание и охлаждение порошка вызывало образование крошечных частиц, которые собирались в более крупные сферические, а иногда и полые структуры.Этот метод, называемый пиролизом распылением, дешев, широко используется и легко масштабируется для коммерческого производства.
И в этом случае произошло нечто неожиданное. Подобно тесту для торта, которое расслаивается на отдельные слои во время выпечки, частицы NMC выходят из процесса с перераспределением их основных ингредиентов.
Новая структура стала ясной, когда катодные частицы были детально исследованы в SLAC и Брукхейвене. В Стэнфордском источнике синхротронного излучения SLAC Лю и его коллеги использовали рентгеновские лучи для исследования частиц в масштабе 10-20 микрон, или миллионных долей метра. В Брукхейвенском центре функциональных наноматериалов Синь и его команда использовали растровый просвечивающий электронный микроскоп для увеличения деталей размером до миллиардных долей метра, область, известную как наномасштаб. Простой путь к увеличению емкости
При использовании обеих технологий и в каждом масштабе частицы имели структуру, отличную от исходного исходного материала. Когда команда SSRL посмотрела на крошечные трехмерные области в материале, например, только 70 процентов из них содержали все три исходных металла — никель, марганец и кобальт.
«Частицы содержат больше никеля внутри, чтобы накапливать больше энергии, и меньше на поверхности, где это может вызвать проблемы», — сказал Лю. В то же время поверхность частиц была обогащена марганцем, который действовал как слой краски для защиты интерьера.«Мы не первые, кто придумал уменьшить количество никеля на поверхности. Но мы смогли сделать это за один шаг, используя очень простую процедуру», — сказал Дофф. «Мы по-прежнему хотим еще больше увеличить содержание никеля, и это дает нам возможность сделать это.
Чем больше у вас никеля, тем более практичную емкость вы можете иметь при напряжениях, которые практичны в использовании».В будущих экспериментах исследователи планируют исследовать катод NMC с помощью рентгеновских лучей, пока он заряжается и разряжается, чтобы увидеть, как меняются его структура и химический состав.
Они также надеются повысить безопасность материала: как оксид металла, он может выделять кислород во время работы и потенциально вызывать пожар.«Чтобы сделать настоящую, функциональную батарею, которую можно было бы использовать в коммерческих целях, необходимо не ограничиваться производительностью», — сказал Лю. «Необходимо учитывать безопасность и многое другое».Другими исследователями, которые внесли свой вклад в эту работу, были ведущий автор Фэн Линь и Мэтью Куан из Berkeley Lab; Деннис Нордлунд и Цу-Чиен Вен из SLAC; и Лей Ченг из лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. Эта работа была поддержана Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики США.
Стэнфордский источник синхротронного излучения SLAC и Брукхейвенский центр функциональных наноматериалов являются объектами для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.