Отделянето на кислород от материалите на батерията може да причини термично изтичане. Кредит: Такаши Накамура
Изследователска група представи нови прозрения за освобождаването на кислород в литиево-йонните батерии, проправяйки пътя за по-здрави и по-безопасни батерии с висока енергийна плътност.
Батериите от следващо поколение, които съхраняват повече енергия, са критични, ако обществото иска да постигне целите на ООН за устойчиво развитие и да реализира въглеродна неутралност. Въпреки това, колкото по-висока е плътността на енергията, толкова по-голяма е вероятността от термично бягане â прегряване на батериите, което понякога може да доведе до експлозия на батерия.
Кислородът, освободен от катодния активен материал, е спусък за термично бягане, но нашите познания за този процес са недостатъчни.
Изследователи от университета Тохоку и Японския изследователски институт за синхротронна радиация (JASRI) изследваха поведението на освобождаване на кислород и свързаните структурни промени на катодния материал за литиево-йонни батерии LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM111). NCM111 действа като модел на батериен материал на основата на оксид чрез кулонометрично титруване и рентгенови дифракции.
Изследователите откриха, че NCM111 приема 5 mol% от освобождаването на кислород, без да се разлага и че освобождаването на кислород предизвиква структурно разстройство, обменът на Li и Ni.
Когато се отделя кислород, той намалява преходните метали (Ni, Co и Mn в NCM111), намалявайки способността им да поддържат балансиран заряд в материалите.
За да оцени това, изследователската група използва мека рентгенова абсорбционна спектроскопия в BL27SU SPring-8 – широкомащабно съоръжение за синхротронно лъчение, управлявано от JASRI в Япония.
Те наблюдават селективна редукция на Ni3+ в NCM111 в началния етап на освобождаване на кислород. След приключване на редукцията на Ni, Co3+ намалява, докато Mn4+ остава неизменен по време на 5 mol% освобождаване на кислород.
„Редукционното поведение силно предполага, че високият валентен NI (Ni3+) повишава значително освобождаването на кислород“, каза Такаши Накамура, съавтор на статията.
За да тестват тази хипотеза, Накамура и неговите колеги подготвиха модифициран NCM111, съдържащ повече Ni3+ от оригиналния NCM111. За тяхна изненада те откриха, че NCM111 показва много по-сериозно освобождаване на кислород от очакваното.
Въз основа на това изследователската група предложи преходните метали с висока валентност да дестабилизират решетъчния кислород в базираните на оксиди батерийни материали.
„Нашите открития ще допринесат за по-нататъшното развитие на батерии с висока енергийна плътност и здрави батерии от следващо поколение, съставени от оксиди на преходни метали“, каза Накамура.
Референция: âLattice Oxygen Instability in Oxide-Based Intercalation Cathodes: A Case Study of Layered LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2â by Xueyan Hou, Kento Ohta, Yuta Kimura, Yusuke Tamenori, Kazuki Tsuruta, Koji Amezawa и Takashi Nakamura , 23 юни 2021 г., Усъвършенствани енергийни материали.
DOI: 10.1002/aenm.202101005
Финансиране: Безвъзмездна помощ за научни изследвания (JP18K05288?JP19H05814) Изследователска програма за лаборатория CORE на âDynamic Alliance for Open Innovation Bridging Human, Environmentand Materialsâ в âNetwork Joint Research Center for Materials and Devices.â ½
