Forskare upptäcker vägen för att förbättra spelbyte av batterielektroden

10 Most INCREDIBLE ARCHAEOLOGICAL DISCOVERIES in History! (Maj 2019).

Anonim

Om du lägger till mer litium till den positiva elektroden i ett litiumjonbatteri - överstiger det i en mening - det kan lagra mycket mer laddning i samma mängd utrymme, teoretiskt driva en elbil 30-50 procent längre mellan laddningarna. Men dessa litiumrika katoder förlorar snabbt spänningen, och år av forskning har inte kunnat neka varför - tills nu.

Efter att ha tittat på problemet från många vinklar skapade forskare från Stanford University, två departement av energi nationella laboratorier och batteriproducenten Samsung en omfattande bild av hur samma kemiska processer som ger dessa katodar sin höga kapacitet också kopplas till förändringar i atomstrukturen den sap prestanda.

"Det här är goda nyheter", säger William E. Gent, en universitetsstuderande i Stanford och Siebel Scholar som ledde studien. "Det ger oss en lovande ny väg för att optimera spänningsförmågan hos litiumrika katoder genom att styra hur deras atomstruktur utvecklas som batteriladdningar och urladdningar."

Michael Toney, en framstående personalforskare vid SLAC National Accelerator Laboratory och en medförfattare av papperet, tillade: "Det är en stor sak om du kan få dessa litiumrika elektroder att fungera, eftersom de skulle vara en av de enablers för elektriska bilar med mycket längre räckvidd. Det finns ett stort intresse för bilindustrin när det gäller att utveckla sätt att genomföra dessa och förstå vad de tekniska barriärerna kan hjälpa oss att lösa de problem som håller dem tillbaka. "

Lagets rapport framgår idag av Nature Communications.

Forskarna studerade katoderna med en rad röntgentekniker vid SLAC: s Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL) och Lawrence Berkeley National Laboratory Advanced Light Source (ALS). Teorister från Berkeley Labs Molecular Foundry, ledd av David Prendergast, var också inblandade och hjälpte experimenterna att förstå vad de ska leta efter och förklara deras resultat.

Katoderna själva gjordes av Samsung Advanced Institute of Technology med kommersiellt relevanta processer, och monterades i batterier som liknar dem i elbilar.

"Detta säkerställde att våra resultat representerade en förståelse för ett spännande material som skulle vara direkt relevant för våra branschpartners, " sade Gent. Som doktorand i hemvist var han inblandad i både experimenten och den teoretiska modelleringen för studien.

Som en skopa halv tom

Batterier omvandlar elektrisk energi till kemisk energi för lagring. De har tre grundläggande delar - två elektroder, katoden och anoden, och den flytande elektrolyten mellan dem. Som litiumjonbatterier laddas och laddas, transporterar litiumjoner fram och tillbaka mellan de två elektroderna, där de sätter sig in i elektrodmaterialen.

Ju mer joner en elektrod kan absorbera och släppa i förhållande till dess storlek och vikt - en faktor som kallas kapacitet - desto mer energi kan den lagra och ju mindre och ljusare ett batteri kan vara, så att batterierna kan krympa och elbilar reser mer mil mellan avgifter.

"Katoden i dagens litiumjonbatterier fungerar endast på ungefär hälften av sin teoretiska kapacitet, vilket innebär att den ska kunna vara dubbelt så lång per laddning", säger Stanford professor William Chueh, en utredare med Stanford Institute for Materials and Energy Vetenskaper (SIMES) vid SLAC.

"Men du kan inte ladda det hela vägen. Det är som en hink du fyller med vatten, men då kan du bara hälla hälften av vattnet ut. Det här är en av stora utmaningar på fältet just nu - hur får man dessa katodmaterial för att uppträda upp till sin teoretiska kapacitet? Därför har människor varit så glada över möjligheten att lagra mycket mer energi i litiumrika katoder. "

Liksom dagens katoder är litiumrika katoder gjorda av lager av litium smält mellan lager av övergångsmetalloxider - element som nickel, mangan eller kobolt i kombination med syre. Att tillsätta litium till oxidskiktet ökar katodens kapacitet med 30-50 procent.

Ansluta prickarna

Tidigare forskning har visat att flera saker händer samtidigt när litiumrika katoder laddar, sade Chueh: Litiumjoner rör sig ut ur katoden i anoden. Vissa övergångsmetallatomer rör sig in för att ta plats. Samtidigt släpper syreatomer några av sina elektroner, vilket fastställer elektrisk ström och spänning för laddning, enligt Chueh. När litiumjonerna och elektronerna återvänder till katoden under urladdning, återvänder de flesta övergångsmetallflaskorna till sina ursprungliga fläckar, men inte alla och inte direkt. Med varje cykel ändras detta fram och tillbaka katodens atomstruktur. Det är som om skopan morper in i en mindre och något annorlunda hink, tillade Chueh.

"Vi visste att alla dessa fenomen var troligen relaterade, men inte hur, " sa Chueh. "Nu visar den här försöksserien hos SSRL och ALS den mekanism som förbinder dem och hur man kontrollerar den. Det här är en betydande teknisk upptäckt som människor inte helt har förstått."

Vid SLAC: s SSRL använde Toney och hans kollegor en rad röntgenmetoder för att göra en noggrann bestämning av hur katodens atom- och kemiska struktur förändrades som batteriet laddades och urladdat.

Ett annat viktigt verktyg var mjuk röntgen RIXS eller resonans inelastisk röntgenspridning, som ger information om ett materials magnetiska och elektroniska egenskaper. Ett avancerat RIXS-system som började fungera vid ALS förra året skannar proverna mycket snabbare än tidigare.

"RIXS har mestadels använts för grundläggande fysik, " säger forskare Wanli Yang. "Men med det här nya ALS-systemet ville vi verkligen öppna RIXS för praktiska materialstudier, inklusive energirelaterade material. Nu när potentialen för dessa studier delvis har visats kan vi enkelt utöka RIXS till andra batterimaterial och avslöja information det var inte tillgängligt tidigare. "

Teamet arbetar redan med att använda den grundläggande kunskapen de har fått för att designa batterimaterial som kan nå sin teoretiska kapacitet och inte förlora spänning över tiden.

menu
menu