Eine neue LMR-Kathode, die den Spannungsabfall in Li minimiert

Feature vom 7. August 2023

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Lithium-Ionen-Batterien (LiBs), wiederaufladbare Batterien, die Energie durch die reversible Reduktion von Li-Ionen speichern, gehören nach wie vor zu den weltweit am häufigsten verwendeten Batterietechnologien. Diese Batterien versorgen eine Vielzahl von Geräten mit Strom, von Smartphones, Kopfhörern und PCs bis hin zu intelligenten Geräten und Elektrofahrzeugen.

Ein Forscherteam der City University of Hong Kong, der Northwestern University und anderer Institute in den Vereinigten Staaten hat versucht, Strategien und Lösungen zu entwickeln, die die Leistung von LiBs verbessern, ihre Lebensdauer verlängern und ihre Energiekapazität erhöhen könnten. In einem kürzlich in Nature Energy veröffentlichten Artikel stellte das Team eine neue Kathode vor, die die Kapazität von LiBs erhöhen könnte, indem sie eine gut dokumentierte Einschränkung bestehender Kathoden angeht.

„Stellen Sie sich eine Welt vor, in der der Akku Ihres Telefons viel länger hält und Elektroautos mit einer einzigen Ladung weiter fahren können“, sagte Prof. Qi Liu, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber TechXplore. „Das ist der Traum, auf den wir hinarbeiten. Durch die Verbesserung von LiBs, den Energiequellen moderner Elektrogeräte und Elektrofahrzeuge. Unsere aktuelle Studie konzentriert sich auf einen bestimmten Materialtyp namens Lithium- und Mangan-reiche (LMR)-Schichtkathoden, die über … das Potenzial, viel mehr Energie zu speichern als die derzeit kommerziellen Kathoden.

Es ist bekannt, dass LMR-Schichtkathoden anfällig für ein Phänomen namens „Spannungsabfall“ sind, das zu einer schnellen Verschlechterung der Kathoden und einem Spannungsverlust in der Batterie führt. Dieses entscheidende und ausführlich untersuchte Problem schränkt die Leistung von LiBs erheblich ein und schränkt ihr Gesamtpotenzial als Batterielösung ein.

„Wir waren von den Herausforderungen inspiriert, mit denen Forscher weltweit konfrontiert waren, die versuchten, dieses Problem des Spannungsabfalls anzugehen“, erklärte Prof. Liu. „Einige brillante Köpfe hatten bereits Ideen vorgeschlagen, etwa das Beschichten des Kathodenmaterials oder die Einführung neuer Elemente zur Stabilisierung der Struktur. Doch selbst mit diesen Bemühungen blieb das Problem ungelöst.“

In jüngster Zeit ist das Interesse an einer Klasse von LMR-Materialien gestiegen, die sich durch eine einzigartige O2-Stapelstruktur auszeichnen. Bemerkenswert ist, dass diese Materialien im Vergleich zu herkömmlichen LMRs vom O3-Typ einen geringeren Spannungsabfall aufweisen. Die ausgeprägte O2-Stapelung bietet auch die Möglichkeit, die lokale Struktur des inhärent instabilen Wabengitters fein anzupassen.

Inspiriert von diesen Erkenntnissen versuchten Prof. Liu und seine Kollegen, neue LMR-Kathoden auf O2-Basis zu konstruieren. Das Hauptziel der Forscher bestand darin, die charakteristische wabenförmige Struktur von LMR-Materialien zu stabilisieren.

„Wir haben Übergangsmetallionen (TM) in die Lithiumschichten oberhalb oder unterhalb der Wabenstruktur eingebracht“, erklärt Prof. Liu. „Unser Ziel war es, die Stabilität der Wabenstruktur erheblich zu verbessern, das Problem des Spannungsabfalls während des Zyklierens effektiv zu mildern und die praktische Anwendung von LMR-Kathodenmaterialien in LIBs mit hoher Energiedichte zu ermöglichen.“

Um ein LMR-Material mit einer TM-befestigten Wabe zu erzeugen, verwendeten die Forscher eine Ionenaustauschtechnik (d. h. ein System zum effizienten Entfernen oder Auflösen von Ionen). Diese Technik ermöglichte es ihnen, ein Na0,6Li0,2(Mn0) vom P2-Typ umzuwandeln .6-xNix)O2-Material in ihre gewünschte LMR-Kathode vom O2-Typ.

„Die einzigartigen Eigenschaften des von uns geschaffenen Materials sind die Einbindung von TM-Ionen, die strategisch über oder unter der wabenartigen Struktur angeordnet sind und als Kappe zur Stabilisierung des fragilen Gerüsts dienen“, sagte Prof. Liu. „Der Vorteil unserer LMR-Kathode ist der deutlich geringere Spannungsabfall im Batteriebetrieb im Vergleich zu herkömmlichen Kathoden.“

In den ersten Bewertungen zeigte die von Prof. Liu und seinen Kollegen entwickelte Li-reiche Kathode eine bemerkenswert gute Leistung, was darauf hindeutet, dass sie die Lebensdauer verlängern und die Leistung von LIBs verbessern könnte. Dies könnte dazu führen, dass elektronische Geräte und Elektrofahrzeuge mehr Energie speichern können und somit länger funktionieren, bevor sie aufgeladen werden müssen.

„Lange Zeit bis heute wird die praktische Anwendbarkeit von LMR-Kathodenmaterialien kontinuierlich diskutiert“, sagte Prof. Liu.

„Im Mittelpunkt der Besorgnis steht die Frage, ob die inhärenten Nachteile des Spannungsabfalls überwunden werden können, was zu blühenden Forschungsaktivitäten führt, die darauf abzielen, das Problem des Spannungsabfalls anzugehen und seine Ursprünge grundlegend zu verstehen. Unsere bemerkenswerteste Errungenschaft ist die erfolgreiche Bewältigung des seit langem bestehenden Problems des Spannungsabfalls in.“ LMRs. Wir haben herausgefunden, dass wir durch den Einbau zusätzlicher TMs in das Kathodenmaterial die Wabenstruktur stabilisieren konnten, was zu einem vernachlässigbaren Spannungsabfall von nur 0,02 mV pro Zyklus führte.“

Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams beleuchtet die Mechanismen, die dem Spannungsabfall in LMR-Kathoden zugrunde liegen, und stellt einen praktikablen Ansatz zur Minimierung dieses Problems vor. In Zukunft könnte ihre Kathode weiter verbessert werden oder die Entwicklung anderer ähnlicher LMR-Kathodenmaterialien inspirieren.

„Während unsere aktuelle Arbeit den Spannungsabfall von LMRs erfolgreich angegangen ist, wollen wir uns in Zukunft mit einem weiteren entscheidenden Thema befassen: der Spannungshysterese von LMRs“, sagte Prof. Liu.

„Die Spannungshysterese bezieht sich auf den Unterschied in den Spannungsprofilen während der Lade- und Entladezyklen der Batterie. Früher wurde allgemein angenommen, dass die Spannungshysterese auf die Instabilität des Wabenaufbaus zurückzuführen sei, doch trotz der verbesserten Stabilität während der Zyklen, die durch unsere Aufgrund der Struktur der Kappe wurde das Spannungshysterese-Phänomen nicht gemildert.

In ihren nächsten Studien planen die Forscher eine gründliche Untersuchung der Mechanismen, die der Spannungshysterese in LMR-Kathoden zugrunde liegen könnten. Sie hoffen, dass dies zu wichtigen Entdeckungen führen wird, die das Design noch besserer Kathoden beeinflussen könnten.

„Unser nächstes Ziel ist es, das herausfordernde Problem der Spannungshysterese anzugehen und die Energiedichte unserer Kathodenmaterialien weiter zu erhöhen“, fügte Prof. Liu hinzu. „Wir werden auch nach Lösungen suchen, um den Herstellungsprozess unseres entwickelten Materials für die Batterieproduktion im großen Maßstab zu erweitern. Mit diesen Durchbrüchen kommen wir einer Zukunft, die auf effizienter und nachhaltiger Energiespeicherung basiert, einen Schritt näher.“

Mehr Informationen: Dong Luo et al., Eine Li-reiche Schichtoxidkathode mit vernachlässigbarem Spannungsabfall, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01289-6.

Yuxuan Zuo et al, A High-Capacity O2-Type Li-Rich Cathode Material with a Single-Layer Li2 MnO3 Superstructure, Advanced Materials (2018). DOI: 10.1002/adma.201707255.

Robert A. House et al., Überstrukturkontrolle der Spannungshysterese im ersten Zyklus in Sauerstoff-Redox-Kathoden, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1854-3.

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