Elektrolytadditiv bietet Lithiumbatterien verknüpfen Perforation in dieser Leistung

Ein Forscherteam unter dieser Pipeline von Chemikern des Brookhaven Nationalistisch Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) hat herausgefunden, dass ein Elektrolytzusatz stabile Hochspannungszyklen von nickelreichen Schichtkathoden ermöglicht. Ihre Arbeit könnte zu Verbesserungen dieser Energiedichte von Lithiumbatterien zur Folge haben, die Elektrofahrzeuge Zunder geben.

Die Ergebnisse, die am 9. Mai in Nature Energy veröffentlicht wurden, eröffnen Rechtsbehelf zu Händen die notorischen Degradationsprobleme, die zusammen mit nickelreichen Kathodenmaterialien hervortreten, insbesondere zusammen mit hohen Spannungen. Ebendiese Wissenschaft wurde im Rahmen des vom DOE gesponserten Battery500-Konsortiums durchgeführt, dies vom Pacific Northwest Nationalistisch Laboratory (PNNL) des DOE geleitet wird und daran arbeitet, die Energiedichte von Lithiumbatterien zu Händen Elektrofahrzeuge offensichtlich zu potenzieren.

Sha Tan, ein Cobalt-Erstautor und Ph.D. Kandidat an dieser Stony Brook University, dieser mit dieser Haufen zu Händen elektrochemische Energiespeicherung am Brookhaven Lab forschte, untersuchte ursprünglich, wie ein Zusatzstoff, Lithiumdifluorphosphat (LiPO2F2), verwendet werden könnte, um die Niedertemperaturleistung von Batterien zu verbessern. Schluss Wissbegierde versuchte sie, dies Zusatzstoff zu Händen Hochspannungszyklen zusammen mit Raumtemperatur zu verwenden.

„Wenn ich die Tonus hinaus 4,8 Volt (Vanadium) erhöhe, stellte ich starr, dass dieses Zusatzstoff wirklich verknüpfen hervorragenden Sicherheit oben dieser negative Elektrode bietet und die Batterie eine hervorragende Zyklenleistung erzielt“, sagte Tan.

Batterieelektroden schützen
Batterien da sein aus zwei elektrischen Anschlüssen – Elektroden, die denn negative Elektrode und positive Elektrode bezeichnet werden –, die durch eine andere Batteriekomponente, den Elektrolyten, nicht angeschlossen sind. Elektronen möglich sein durch verknüpfen externen Stromkreis, dieser die beiden Elektroden verbindet, und Ionen möglich sein durch den Elektrolyten. Beiderartig pendeln während Lade-Entlade-Zyklen zwischen den Elektroden hin und zurück.

Nickelreiche geschichtete Kathodenmaterialien versprechen eine hohe Energiedichte zu Händen Batterien dieser nächsten Generation, wenn sie mit Lithium-Metall-Anoden gepaart werden. Zwar sie Materialien sind kränklich zu Händen Kapazitätsverlust. Eines dieser Hauptprobleme ist dies Entkräften von Partikeln während Hochspannungs-Lade-Entlade-Zyklen. Hochspannungsbetrieb ist wichtig, da die in einer Batterie gespeicherte Gesamtenergie, die zu Händen die Fahrzeugreichweite wichtig ist, mit zunehmender nutzbarer Betriebsspannung ansteigt.

Ein weiteres Problem ist die Granularität des Übergangsmetalls von dieser negative Elektrode und seine anschließende Abscheidung hinaus dieser positive Elektrode. Dies ist in dieser Batterie-Gemeinschaft denn „Crosstalk“ prestigeträchtig, sagte dieser Laborant Enyuan Hu aus Brookhaven, dieser die Wissenschaft leitete. Beim Hochspannungsladen trennen sich geringe Mengen an Übergangsmetallen im Kathodenkristallgitter hinaus, wandern dann durch den Elektrolyten und setzen sich hinaus dieser Anodenseite ab. Wenn dies geschieht, werden sowohl die negative Elektrode denn ebenfalls die positive Elektrode abgebaut. Dasjenige Ergebnis: schlechte Wartung dieser Batteriekapazität.

Die Forscher fanden hervor, dass dies Erwerben einer kleinen Menge Zusatzstoff in den Elektrolyten dies Nebensprechen erstickt.

Wenn sich dies Zusatzstoff zersetzt, produziert es Lithiumphosphat (Li3PO4) und Lithiumfluorid (LiF), um eine hochgradig schützende Kathoden-Elektrolyt-Zwischenphase zu repräsentieren – eine feste dünne Schicht, die sich während des Zyklus hinaus dieser negative Elektrode dieser Batterie bildet.

„Durch die Entstehung einer sehr stabilen Zwischenphase hinaus dieser negative Elektrode unterdrückt sie Schutzschicht den Übergangsmetallverlust hinaus dieser Kathodenoberfläche erheblich“, sagte Hu. „Ein reduzierter Übergangsmetallverlust trägt dazu zusammen mit, die Abscheidung dieser Übergangsmetalle hinaus dieser positive Elektrode zu verringern. In diesem Sinne ist die positive Elektrode ebenfalls solange bis zu einem gewissen Qualität geschützt verbesserte Leistung beim Radfahren.“

Welcher Elektrolytzusatz ermöglicht es, eine nickelreiche Schichtkathode zusammen mit hohen Spannungen zu zyklieren, um die Energiedichte zu potenzieren und nachher 200 Zyklen immer noch 97 v. H. ihrer ursprünglichen Kondensator beizubehalten, fanden die Forscher hervor.

Konservierung einer polykristallinen Lösungskonzept
Zwar die verbesserte Leistung war nicht dies einzige aufregende Ergebnis zu Händen die Forscher, sagte Hu.

Die gebräuchlichste nickelreiche negative Elektrode liegt in Form von Polykristallen vor – Aggregate aus vielen Nanometer-Kristallen, ebenfalls Primärpartikel genannt, die zu einem größeren Sekundärpartikel zusammengeballt sind. Während dies verknüpfen relativ einfachen Syntheseweg verspricht, wird normalerweise die polykristalline Natur hierfür zuständig gemacht, Partikelrisse und schließlich verknüpfen Kapazitätsverlust zu verursachen.

Jüngste Forschungen nach sich ziehen gezeigt, dass Kathoden hinaus Einkristallbasis im Unterschied zu polykristallinen Gegenstücken zusammen mit dieser Unterdrückung von Partikelrissbildung vorteilhaft sein können. Ebendiese Studie legt jedoch nahe, dass dieser Kaution von additiver Technologie ebenfalls dies Rissproblem in polykristallinen Materialien effektiv in Zusammenhang stehen mit kann.

„Unsrige Arbeit besagt, dass polykristalline Materialien nicht von dieser Betrachtung unmöglich werden können, insbesondere weil sie einfacher herzustellen sind, welches sich in niedrigeren Wert unterdrücken kann.“ Hu sagte.

Tan fügte hinzu: „Unsrige Strategie verwendet eine sehr kleine Menge Zusatzstoff, um eine so große Verbesserung dieser elektrochemischen Leistung zu klappen. In dieser Realität könnte dies eine kostengünstige und leicht anzuwendende Lösungskonzept sein.“

Mit Blick hinaus die Zukunft wollen die Forscher dies Zusatzstoff unter anspruchsvolleren Bedingungen testen, um herauszufinden, ob die Kathodenmaterialien noch mehr Zyklen zu Händen den praktischen Batterieeinsatz ausstehen können.

Erweiterte Untersuchung
Um zu verstehen, wie sich dies Zusatzstoff zersetzt und die Kathodenoberfläche schützt, führten die Forscher eine Schlange von Synchrotron-Experimenten durch, sagte Tan.

Vier Strahlführungen an dieser Nationalistisch Synchrotron Light Source-II (NSLS-II), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Brookhaven, die ultrahelle X-Strahlen zur Untersuchung von Materialeigenschaften hinaus atomarer Stand erzeugt, spielten unterschiedliche Schlingern in dieser Wissenschaft.

Die Wissenschaftler verwendeten die Beamline Quick X-ray Aufsaugung and Scattering (QAS), um den Auflösungsprozess dieser Übergangsmetalle zu verstehen – wie die Übergangsmetalle zur Anodenseite gelangen.

Sie verwendeten die Beamline zu Händen Röntgenspektroskopie mit Submikronauflösung (SRX), um die Wirksamkeit dieser neuen Zwischenphase zusammen mit dieser Unterdrückung dieser Granularität von Übergangsmetallen zu untersuchen, während sie abbildeten, wie viel des Übergangsmetalls hinaus dieser Anodenoberfläche öde wurde. Ebendiese Experimente zeigten, dass die Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche Übergangsmetalle signifikant daran hinderte, zur positive Elektrode zu wandern, wenn dies Zusatzstoff im Spiel war.

Die Forscher verwendeten ebenfalls die In-situ- und Operando-Soft-Röntgenspektroskopie (IOS)-Strahllinie, um die Kathodenoberfläche zu charakterisieren, wenn dies Zusatzstoff eingeführt wird, und ermöglicht die Entstehung einer robusten Zwischenphase.

Und sie verwendeten die Strahllinie zu Händen Röntgenpulverbeugung (XPD), um die Kristallstruktur dieser negative Elektrode zu untersuchen, um zu sehen, ob sie sich oben mehrere Zyklen verändert.

Darüber hinaus koordinierte dies Team oben Zeitzonen hinweg mit Beamline-Wissenschaftlern an dieser European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, Französische Republik. Die dortigen Mitwirkender verwendeten X-Strahlen, um die Wortstruktur und die Chemie von Tausenden von Elektrodenpartikeln zu untersuchen, welches es den Wissenschaftlern ermöglichte, Defekte und Energiedichte visuell zu zeugen.

Um abzubilden, wie sich die Oberflächenstruktur dieser negative Elektrode während des Zyklus entwickelt hat, und zu Händen die Computeranalyse wandten sich die Forscher an die Fähigkeiten des Zentrums zu Händen funktionelle Nanomaterialien des Brookhaven Lab. Ebendiese bildgebenden und rechnerischen Studien halfen dem Team, den System zu Händen die Funktionsweise des Additivs zu identifizieren, sagte Hu.

„Dieses Projekt erforderte eine perfekte Zusammensetzung aus fortschrittlichen Techniken und fortschrittlichen Analysen in allen Einrichtungen, um die entscheidenden Erkenntnisse oben die Auswirkungen dieses Additivs hinaus verschiedenen Ebenen zu liefern, vom Partikel solange bis zur Elektrode“, sagte Hu. „Die Untersuchung in dieser Wissenschaft bietet statistisch belastbare, überzeugende Belege hierfür, wie es funktioniert.“

Neben Tan sind ebenfalls Zulipiya Shadike von dieser Chemistry Division des Brookhaven Lab und Jizhou Lithium, Postdoktorand am SLAC Nationalistisch Accelerator Laboratory, Cobalt-Erstautoren dieser Wissenschaft.

Die Forscher arbeiteten ebenfalls mit Experten des US Army Research Laboratory, PNNL, dieser Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, des SLAC Nationalistisch Accelerator Laboratory und dieser University of Washington, Seattle, zusammen.

„Mit dieser großartigen Plattform, die Battery 500 bietet, verfügen wir oben viel Fachwissen, mit dem wir funktionieren können“, sagte Xiao-Qing Yang, Sprossenstiege dieser Electrochemical Storage Research Group in Brookhaven. „Dasjenige ist wirklich eine erstaunliche Bestrebung mit vielen anderen Institutionen intrinsisch und von außen kommend des Battery500-Konsortiums.“

Forschungsbericht: Additives Engineering zu Händen robuste Interphasen zur Stabilisierung von High-Ni-Schichtstrukturen zusammen mit Ultrahochspannung von 4,8 Vanadium

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