„Otec zakladatele“ lithium-iontových baterií použil neutrony SNS k potvrzení povlaku katodového materiálu (modrá) oxidem niobu bez lithia (světle zelená), což výrazně snížilo ztrátu kapacity v prvním cyklu a zlepšilo dlouhodobou kapacitu. Kredit: Jill Hemman/ORNL
Koncem 1970. let 2019. století M. Stanley Whittingham jako první popsal koncept dobíjecích lithium-iontových baterií, což je úspěch, za který by se v roce XNUMX podělil o Nobelovu cenu za chemii. Přesto ani on nemohl předvídat složité výzvy vědy o materiálech, které vyvstanou, když tyto baterie pohánějí světovou přenosnou elektroniku.
Jedním přetrvávajícím technickým problémem je, že pokaždé, když je do zařízení instalována nová lithium-iontová baterie, ztratí se až pětina její energetické kapacity, než lze zařízení úplně poprvé dobít. To platí bez ohledu na to, zda je baterie nainstalována v notebooku, fotoaparátu, náramkových hodinkách nebo dokonce v novém elektrickém vozidle.
Příčinou jsou nečistoty, které se tvoří na katodách bohatých na nikl – kladné (+) straně baterie, přes kterou se vybíjí uložená energie.
Whittingham vedl skupinu výzkumných pracovníků, která zahrnovala jeho kolegy ze State University of New York v Binghamtonu (SUNY Binghamton) a vědce z Department of Energy (DOE's) Brookhaven (BNL) a Oak Ridge, aby našel způsob, jak zachovat ztracenou kapacitu. Národní laboratoře (ORNL). Tým použil rentgenové záření a neutrony, aby otestoval, zda by ošetření předního katodového materiálu – vrstveného nikl-mangan-kobaltového materiálu zvaného NMC 811 – oxidem niobu bez lithia vedlo k delší výdrži baterie.
Výsledky studie „Jaká je role Nb ve vrstvených oxidových katodách bohatých na nikl pro lithium-iontové baterie? objevit v ACS Energy Letters.
"Testovali jsme NMC 811 na vrstveném oxidovém katodovém materiálu poté, co jsme předpověděli, že oxid niobu bez lithia vytvoří na povrchu nanočásticový povlak oxidu lithia a niobu, který by vedl ionty lithia a umožnil jim proniknout do materiálu katody," řekl nyní Whittingham. významný profesor SUNY a ředitel Severovýchodního centra pro skladování chemické energie (NECCES), výzkumného střediska DOE Energy Frontier Research Center pod vedením SUNY Binghamtonové.
Lithiové baterie mají katody vyrobené ze střídajících se vrstev lithiových a oxidových materiálů bohatých na nikl (chemické sloučeniny obsahující alespoň jeden kyslík atom), protože nikl je relativně levný a pomáhá poskytovat vyšší hustotu energie a větší skladovací kapacitu za nižší cenu než jiné kovy.
Ale nikl v katodách je relativně nestabilní, a proto snadno reaguje s jinými prvky, takže povrch katody je pokryt nežádoucími nečistotami, které snižují skladovací kapacitu baterie o 10-18% během jejího prvního cyklu nabíjení-vybíjení. Nikl může také způsobit nestabilitu uvnitř katodové struktury, což dále snižuje skladovací kapacitu po delší dobu nabíjení a vybíjení.
Aby vědci pochopili, jak niob ovlivňuje katodové materiály bohaté na nikl, provedli studie neutronové práškové difrakce na difraktometru inženýrských materiálů VULCAN na ORNL's Spallation Neutron Source (SNS). Měřili neutronové difrakční obrazce čistého NMC 811 a vzorků modifikovaných niobem
"Neutrony snadno pronikly katodovým materiálem, aby odhalily, kde se nacházejí atomy niobu a lithia, což poskytlo lepší pochopení toho, jak proces modifikace niobu funguje," řekl Hui Zhou, manažer baterie ve společnosti NECCES. "Data o rozptylu neutronů naznačují, že atomy niobu stabilizují povrch, aby se snížily ztráty v prvním cyklu, zatímco při vyšších teplotách atomy niobu přemístí některé atomy manganu hlouběji uvnitř katodového materiálu, aby se zlepšilo dlouhodobé zachování kapacity."
Výsledky experimentu ukázaly snížení ztráty kapacity v prvním cyklu a zlepšené dlouhodobé zachování kapacity o více než 93 procent během 250 cyklů nabití a vybití.
"Zlepšení pozorovaná v elektrochemickém výkonu a strukturální stabilitě činí niobem modifikovaný NMC 811 kandidátem jako katodový materiál pro použití v aplikacích s vyšší hustotou energie, jako jsou elektrická vozidla," řekl Whittingham. „Kombinace niobového povlaku s náhradou atomů niobu za atomy manganu může být lepší způsob, jak zvýšit počáteční kapacitu i dlouhodobé zachování kapacity. Tyto úpravy lze snadno zvětšit pomocí současných vícestupňových výrobních procesů pro materiály NMC.
Whittingham dodal, že výzkum podporuje cíle Konsorcium Battery500, multiinstitucionální program vedený tichomořskou severozápadní národní laboratoří DOE pro úřad DOE pro energetickou účinnost a obnovitelné zdroje energie. Program pracuje na vývoji lithium-metalových bateriových článků nové generace s výkonem až 500 watthodin na kilogram oproti současnému průměru asi 220 watthodin na kilogram.
Reference: "Jaká je role Nb v niklových vrstvených oxidových katodách pro lithium-iontové baterie?" autor: Fengxia Xin, Hui Zhou, Yanxu Zong, Mateusz Zuba, Yan Chen, Natasha A. Chernova, Jianming Bai, Ben Pei, Anshika Goel, Jatinkumar Rana, Feng Wang, Ke An, Louis FJ Piper, Guangwen Zhou a M. Stanley Whittingham , 18. března 2021, ACS Energy Letters.
DOI: 10.1021 / acsenergylett.1c00190
Výzkum byl podpořen Úřadem pro energetickou účinnost a obnovitelné zdroje DOE, Úřadem pro technologie vozidel a využíval zdroje v BNL National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) a v ORNL's Spallation Neutron Source.
SNS a NSLS-II jsou uživatelská zařízení DOE Office of Science. UT-Battelle LLC spravuje ORNL pro DOE Office of Science. Office of Science je jediným největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách ve Spojených státech a pracuje na řešení některých z nejnaléhavějších výzev naší doby.
