„Бащата-основател“ на литиево-йонните батерии използва SNS неутрони, за да потвърди покритието на катодния материал (синьо) с несъдържащ литий ниобиев оксид (светлозелен) значително намалява загубата на капацитет при първия цикъл и подобрява дългосрочния капацитет. Кредит: Джил Хемман/ORNL
В края на 70-те години на миналия век М. Стенли Уитингам е първият, който описва концепцията за презареждащи се литиево-йонни батерии, постижение, за което той ще сподели Нобеловата награда за химия през 2019 г. И все пак дори той не е могъл да предвиди сложните предизвикателства в науката за материалите, които ще възникнат, когато тези батерии задвижат световната преносима електроника.
Един постоянен технически проблем е, че всеки път, когато нова литиево-йонна батерия се инсталира в устройство, до около една пета от нейния енергиен капацитет се губи, преди устройството да може да бъде презаредено за първи път. Това е вярно, независимо дали батерията е инсталирана в лаптоп, камера, ръчен часовник или дори в ново електрическо превозно средство.
Причината са примеси, които се образуват върху богатите на никел катоди – положителната (+) страна на батерията, през която се разрежда съхранената енергия.
За да намери начин за запазване на загубения капацитет, Уитингам ръководи група от изследователи, включващи колегите му от Държавния университет на Ню Йорк в Бингамтън (SUNY Binghamton) и учени от Министерството на енергетиката на (DOE) Брукхейвън (BNL) и Националните лаборатории на Оук Ридж (ORNL). Екипът използва рентгенови лъчи и неутрони, за да провери дали третирането на водещ катоден материал – слоест никел-манган-кобалтов материал, наречен NMC 811 – с несъдържащ литий ниобиев оксид ще доведе до по-дълготрайна батерия.
Резултатите от проучването „Каква е ролята на Nb в богатите на никел слоести оксидни катоди за литиево-йонни батерии?“ се появяват в ACS Energy Letters.
“Ние тествахме NMC 811 върху слоест оксиден катоден материал, след като прогнозирахме, че несъдържащият литий ниобиев оксид ще образува наноразмерно покритие от литиево-ниобиев оксид на повърхността, което ще провежда литиеви йони и ще им позволи да проникнат в катодния материал,” каза Уитингам, сега изтъкнат професор на SUNY и директор на Североизточния център за съхранение на химическа енергия (NECCES), изследователски център на DOE Energy Frontier, ръководен от SUNY Binghamton.
Литиевите батерии имат катоди, направени от редуващи се слоеве от литиеви и богати на никел оксидни материали (химични съединения, съдържащи поне един кислороден атом), тъй като никелът е сравнително евтин и помага да се осигури по-висока енергийна плътност и по-голям капацитет за съхранение на по-ниска цена от другите метали.
Но никелът в катодите е относително нестабилен и следователно реагира лесно с други елементи, оставяйки повърхността на катода покрита с нежелани примеси, които намаляват капацитета за съхранение на батерията с 10-18% по време на първия й цикъл на зареждане-разреждане. Никелът може също да причини нестабилност във вътрешността на катодната структура, което допълнително намалява капацитета за съхранение при продължителни периоди на зареждане и разреждане.
За да разберат как ниобият влияе на богатите на никел катодни материали, учените извършиха изследвания на неутронна прахова дифракция в дифрактометъра за инженерни материали VULCAN в Spallation Neutron Source (SNS) на ORNL. Те измерват моделите на неутронна дифракция на чист NMC 811 и модифицирани с ниобий проби.
„Неутроните лесно проникваха в катодния материал, за да разкрият къде са разположени атомите на ниобия и лития, което осигуряваше по-добро разбиране за това как работи процесът на модификация на ниобия“, каза Хуей Джоу, мениджър на съоръжение за батерии в NECCES. „Данните за разсейване на неутрони предполагат, че ниобиевите атоми стабилизират повърхността, за да намалят загубите от първия цикъл, докато при по-високи температури ниобиевите атоми изместват някои от мангановите атоми по-дълбоко в материала на катода, за да подобрят дългосрочното запазване на капацитета.“
Резултатите от експеримента показаха намаляване на загубата на капацитет при първия цикъл и подобрено дългосрочно запазване на капацитета с повече от 93 процента за 250 цикъла на зареждане-разреждане.
„Подобренията, наблюдавани в електрохимичните характеристики и структурната стабилност, правят модифицирания с ниобий NMC 811 кандидат като катоден материал за използване в приложения с по-висока енергийна плътност, като електрически превозни средства“, каза Уитингам. „Комбинирането на ниобиево покритие със замяната на ниобиеви атоми с манганови атоми може да бъде по-добър начин за увеличаване както на първоначалния капацитет, така и на дългосрочното запазване на капацитета. Тези модификации могат лесно да бъдат увеличени с помощта на настоящите многоетапни производствени процеси за NMC материали.â
Уитингам добави, че изследването подкрепя целите наКонсорциум Battery500, мултиинституционална програма, ръководена от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория на DOE за Службата за енергийна ефективност и възобновяема енергия на DOE. Програмата работи за разработване на следващо поколение литиево-метални батерийни клетки, доставящи до 500 вата часа на килограм спрямо текущата средна стойност от около 220 вата часа на килограм.
Справка: „Каква е ролята на Nb в богатите на никел слоести оксидни катоди за литиево-йонни батерии?“ от Fengxia Xin, Hui Zhou, Yanxu Zong, Mateusz Zuba, Yan Chen, Natasha A. Chernova, Jianming Bai , Бен Пей, Аншика Гоел, Джатинкумар Рана, Фън Уанг, Ке Ан, Луис Ф. Дж. Пайпър, Гуангвен Джоу и М. Стенли Уитингам, 18 март 2021 г., ACS Energy Letters.
DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00190
Изследването беше подкрепено от Службата за енергийна ефективност и възобновяема енергия на DOE, Службата за технологии за превозни средства и използва ресурси на Националния синхротронен светлинен източник II (NSLS-II) на BNL и на Spallation Neutron Source на ORNL.
SNS и NSLS-II са потребителски съоръжения на DOE Office of Science. UT-Battelle LLC управлява ORNL за Службата на науката на DOE. Службата на науката е най-големият поддръжник на фундаментални изследвания във физическите науки в Съединените щати и работи за справяне с някои от най-належащите предизвикателства на нашето време.
