Испытательные батареи, которые включили этот материал катода, поддержали намного лучше, когда заряжено и освобождено от обязательств в высоких напряжениях, необходимых к электромобилям быстрого обвинения, отчету ученых в работе, опубликованной 11 января в дебютной эмиссии энергии Природы.«Мы смогли спроектировать поверхность способом, которая предотвращает быстрое исчезновение мощности батареи», сказал Ицзинь Лю, научный сотрудник из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и соавтор отчета. Результаты потенциально значительные, потому что они прокладывают путь к тому, что сделали литий-ионные аккумуляторы, которые являются более дешевыми и имеют более высокую плотность энергии.Хороший никель, плохой никель
Химия в основе всех литий-ионных аккумуляторов, какую власть портативная электроника и электромобили, доставляя литиевые ионы в челноке между положительными и отрицательными электродами купали в решении для электролита. Когда литиевые ионы перемещаются в катод, химические реакции производят электроны, которые могут быть разбиты к внешней схеме для использования.
Перезарядка вытаскивает литиевые ионы из катода и посылает их в анод.Катоды, сделанные из марганцевой окиси кобальта никеля или NMC, являются особенно горячей областью исследования батареи, потому что они могут работать в относительно высоких напряжениях, должен был сохранить много энергии в очень небольшом пространстве.Но в то время как никель в NMC дает ему высокую производительность для хранения энергии, это также реактивное и нестабильное с тенденцией подвергнуться разрушительным реакциям стороны с электролитом.
Со временем это формирует подобную каменной соли корку, которая блокирует поток литиевых ионов, сказал соавтор исследования Хуолинь Синь из Брукхевенской Национальной лаборатории.В этом исследовании исследователи экспериментировали со способами включить никель, но защитить его от электролита.
Частицы, которые Защищают СебяКоманда во главе с Маркой Доевым в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли распылила раствор лития, никеля, марганца и кобальта через носик пульверизатора, чтобы сформировать капельки, которые разложились, чтобы сформировать порошок. Неоднократно нагревание и охлаждение порошка вызвали формирование крошечных частиц, которые собрали себя в больший, сферическое, и иногда выкапывайте структуры.
Эта техника, названная пиролизом брызг, дешевая, широко используемая и легко расширенная для коммерческого производства. И в этом случае это сделало что-то неожиданное. Как отбивающий пирога это сортирует само в отличные слои во время выпекания, частицы NMC появились из процесса с их основными перераспределенными компонентами.
Новая структура стала ясной, когда частицы катода были исследованы подробно в SLAC и Брукхевене. В Стэнфорде Синкротроне Рэдиэйшне Лайтсоерсе SLAC Лю и его коллеги использовали рентген, чтобы исследовать частицы в масштабе 10-20 микронов или миллионных частях метра. В Центре Брукхевена Функциональных Наноматериалов Синь и его команда использовали просвечивающий электронный микроскоп просмотра, чтобы увеличить масштаб деталей всего миллиардные части метра, сфера, известная как наноразмерное. Симпл-Роуд к Более высокой Мощности
С обоими методами и в каждом масштабе они смотрели, у частиц была различная структура, чем оригинальный стартовый материал. Когда команда SSRL посмотрела на крошечные 3D области в материале, например, только 70 процентов из них содержали все три из стартовых металлов – никель, марганец и кобальт.
«У частиц есть больше никеля на внутренней части, чтобы сохранить больше энергии, и меньше на поверхности, где это вызвало бы проблемы», сказал Лю. В то же время поверхность частиц была обогащена в марганце, который действовал как слой краски, чтобы защитить интерьер.
«Мы не первые, кто придумал идею уменьшить никель на поверхности. Но мы смогли сделать это за один шаг использование очень простой процедуры», сказал Доев. «Мы все еще хотим увеличить содержание никеля еще больше, и это дает нам возможный путь для того, чтобы сделать это. Чем больше никеля, который Вы имеете, тем более практическая способность Вы можете иметь при напряжениях, которые практичны, чтобы использовать».
В будущих экспериментах исследователи планируют исследовать катод NMC с рентгеном, в то время как он заряжает и освобождается от обязательств, чтобы видеть, как его структура и химия изменяются. Они также надеются повысить уровень безопасности материала: Как металлическая окись, это могло выпустить кислород во время операции и потенциально вызвать огонь.«Чтобы сделать реальную, функциональную батарею, которая может быть коммерциализирована, Вы должны на время забыть работу», сказал Лю. «Безопасность и много других вещей нужно рассмотреть».
Другие исследователи, которые способствовали этой работе, были ведущим автором Фэн Линем и Мэтью Куаном из Berkeley Lab; Деннис Нордланд и Tsu-Chien Вэн SLAC; и Лэй Чэн из Berkeley Lab и Калифорнийского университета, Беркли. Эта работа была поддержана Офисом Vehicle Technologies САМКИ.
Стэнфорд Синкротрон Рэдиэйшн Лайтсоерс SLAC и Центр Брукхевена Функциональных Наноматериалов – Офис САМКИ Научных Пользовательских Средств.