Die grenzenfreie Struktur für Elektrodenpartikel eliminiert Reaktionen, die die Batterielebensdauer verkürzen.
Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben eine lange Geschichte bahnbrechender Entdeckungen mit Lithium-Ionen-Batterien. Viele dieser Entdeckungen konzentrierten sich auf eine Batteriekathode namens NMC, ein Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid. Batterien mit dieser Kathode treiben jetzt den Chevy Bolt an.
Argonne-Forschern ist mit der NMC-Kathode ein weiterer Durchbruch gelungen. Die neue Struktur des Teams für die mikrogroßen Partikel der Kathode könnte zu langlebigeren und sichereren Batterien führen, die bei sehr hoher Spannung betrieben werden können und Fahrzeuge für größere Reichweiten antreiben.
„Wir haben jetzt Richtlinien, die Batteriehersteller verwenden können, um Kathodenmaterial herzustellen, das grenzflächenfrei ist und bei Hochspannung funktioniert.“ — Khalil Amine, Distinguished Fellow der Argonnen
„Die heutige NMC-Kathode stellt ein großes Hindernis für den Betrieb bei Hochspannung dar“, sagte Guiliang Xu, Hilfschemiker. Beim Lade-Entlade-Zyklus nimmt die Leistung schnell ab, da sich Risse in den Kathodenpartikeln bilden. Seit mehreren Jahrzehnten suchen Batterieforscher nach Möglichkeiten, diese Risse zu beseitigen.
Ein früherer Ansatz umfasste sphärische Mikropartikel, die aus zahlreichen viel kleineren Partikeln bestanden. Die großen kugelförmigen Partikel sind polykristallin mit unterschiedlich orientierten kristallinen Bereichen. Infolgedessen haben sie, was Wissenschaftler als Korngrenzen zwischen Partikeln bezeichnen, die beim Batteriezyklus Risse verursachen. Um dies zu verhindern, hatten die Kollegen von Xu und Argonne zuvor eine schützende Polymerbeschichtung um jedes Partikel herum entwickelt. Diese Beschichtung umgibt die großen kugelförmigen Partikel und die kleineren darin.
Ein anderer Ansatz zur Vermeidung dieser Rissbildung beinhaltet Einkristallpartikel. Die Elektronenmikroskopie dieser Partikel zeigte, dass sie keine Grenzen haben.
Das Problem, mit dem das Team konfrontiert war, bestand darin, dass Kathoden, die sowohl aus beschichteten Polykristallen als auch aus Einkristallen hergestellt wurden, beim Zyklisieren immer noch Risse bildeten. Daher unterzogen sie diese Kathodenmaterialien umfangreichen Analysen an der Advanced Photon Source (APS) und dem Center for Nanoscale Materials (CNM), den Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science in Argonne.
An fünf APS-Beamlines (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C und 34-ID-E) wurden verschiedene Röntgenanalysen durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass das, was Wissenschaftler für Einkristalle gehalten hatten, wie durch Elektronen- und Röntgenmikroskopie nachgewiesen wurde, tatsächlich Grenzen im Inneren hatte. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie am CNM bestätigten den Befund.
„Wenn wir uns die Oberflächenmorphologie dieser Partikel ansehen, sehen sie aus wie Einkristalle“, sagt der Physiker Wenjun Liu. ”Aber wenn wir eine Technik namens Synchrotron-Röntgenbeugungsmikroskopie und andere Techniken an der APS verwenden, finden wir Grenzen, die sich im Inneren verbergen.”
Wichtig ist, dass das Team eine Methode zur Herstellung von Einkristallen ohne Grenzen entwickelt hat. Das Testen kleiner Zellen mit solchen Einkristall-Kathoden bei sehr hoher Spannung zeigte eine 25-prozentige Steigerung der Energiespeicherung pro Volumeneinheit bei nahezu keinem Leistungsverlust über 100 Testzyklen. Bei NMC-Kathoden, die aus Einkristallen mit vielen inneren Begrenzungen oder mit beschichteten Polykristallen bestehen, nahm die Kapazität dagegen über die gleiche Zykluslebensdauer um 60 % bis 88 % ab.
Berechnungen auf atomarer Ebene enthüllten den Mechanismus hinter dem Kapazitätsabfall in der Kathode. Laut der Nanowissenschaftlerin Maria Chan von CNM sind Grenzen im Vergleich zu den davon entfernten Regionen anfälliger für den Verlust von Sauerstoffatomen, wenn die Batterie geladen wird. Dieser Sauerstoffverlust führt beim Zellzyklus zum Abbau.
„Unsere Berechnungen haben gezeigt, wie Grenzen bei hoher Spannung zu einer Sauerstofffreisetzung und damit zu einem Leistungsabfall führen“, sagte Chan.
Das Eliminieren der Grenzen verhindert eine Sauerstofffreisetzung und verbessert dadurch die Kathodensicherheit und -stabilität beim Zyklieren. Sauerstofffreisetzungsmessungen bei APS und der Advanced Light Source am Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE unterstützten diesen Befund.
„Wir haben jetzt Richtlinien, die Batteriehersteller verwenden können, um Kathodenmaterial herzustellen, das grenzflächenfrei ist und bei Hochspannung funktioniert“, sagte Khalil Amine, ein Argonne Distinguished Fellow. ”Und die Richtlinien sollten neben NMC auch für andere Kathodenmaterialien gelten.”
Eine Abhandlung über diese Forschung erschien in Energie der Natur. Neben Xu, Amine, Liu und Chan gehören zu den Argonne-Autoren Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Yin, Amine Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun Sonne, Tao Zhou, Ming Du und Zonghai Chen. Zu diesem Projekt trugen auch Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Wanli Yang, Qingtian Li und Zengqing Zhuo), der Xiamen University (Jing-Jing Fan, Ling Huang und Shi-Gang Sun) und der Tsinghua University (Dongsheng Ren, Xuning Feng und Minggao) bei Ouyang).
Die Forschung wurde vom DOE Vehicle Technologies Office unterstützt.
Über das Argonne Center for Nanoscale Materials
Das Center for Nanoscale Materials ist eines der fünf DOE Nanoscale Science Research Centers, erstklassige nationale Nutzereinrichtungen für interdisziplinäre Forschung im Nanobereich, die vom DOE Office of Science unterstützt werden. Zusammen umfassen die NSRCs eine Reihe sich ergänzender Einrichtungen, die Forschern hochmoderne Fähigkeiten zur Herstellung, Verarbeitung, Charakterisierung und Modellierung von Materialien im Nanomaßstab bieten und die größte Infrastrukturinvestition der National Nanotechnology Initiative darstellen. Die NSRCs befinden sich in den National Laboratories Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia und Los Alamos des DOE. Weitere Informationen zu den DOE NSRCs finden Sie unter https://science.osti.gov/User-Facilities/U ser-Facilities-at-a-Glance.
Über die Advanced Photon Source
Die Advanced Photon Source (APS) des US Department of Energy Office of Science im Argonne National Laboratory ist eine der weltweit produktivsten Einrichtungen für Röntgenlichtquellen. Das APS stellt einer vielfältigen Gemeinschaft von Forschern in den Bereichen Materialwissenschaft, Chemie, Physik der kondensierten Materie, Lebens- und Umweltwissenschaften sowie angewandter Forschung Röntgenstrahlen mit hoher Helligkeit zur Verfügung. Diese Röntgenstrahlen eignen sich ideal für die Erforschung von Materialien und biologischen Strukturen; elementare Verteilung; chemische, magnetische, elektronische Zustände; und ein breites Spektrum an technologisch wichtigen Engineering-Systemen aus Batterien bis hin zu Einspritzdüsensprays, die alle die Grundlage für das wirtschaftliche, technologische und physische Wohlergehen unserer Nation bilden. Jedes Jahr verwenden mehr als 5.000 Forscher das APS, um über 2.000 Publikationen zu produzieren, die wirkungsvolle Entdeckungen detailliert beschreiben, und lösen mehr lebenswichtige biologische Proteinstrukturen als Benutzer jeder anderen Forschungseinrichtung für Röntgenlichtquellen. APS-Wissenschaftler und -Ingenieure erfinden Technologien, die das Herzstück der Weiterentwicklung des Beschleuniger- und Lichtquellenbetriebs bilden. Dazu gehören die Einführgeräte, die Röntgenstrahlen mit extremer Helligkeit erzeugen, die von Forschern geschätzt werden, Linsen, die die Röntgenstrahlen auf wenige Nanometer fokussieren, Instrumente, die die Art und Weise maximieren, wie die Röntgenstrahlen mit den zu untersuchenden Proben interagieren, und Software, die sammelt und verwaltet die riesige Menge an Daten, die aus der Entdeckungsforschung an der APS resultieren.
Diese Forschung verwendete Ressourcen der Advanced Photon Source, einer US DOE Office of Science User Facility, die für das DOE Office of Science vom Argonne National Laboratory unter der Vertragsnummer DE-AC02-06CH11357 betrieben wird.
Artikel und Beitragsbild von Argonne National Laboratory.
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