Pramonės naujienos

„Ličio jonų baterijų įkūrėjas“ padeda išspręsti nuolatinę 40 metų problemą dėl savo išradimo

2021-12-18

Ličio jonų baterijų „įkūrėjas“ naudojo SNS neutronus, kad patvirtintų katodo medžiagos (mėlynos spalvos) padengimą ličio neturinčiu niobio oksidu (šviesiai žaliu) labai sumažino pirmojo ciklo talpos praradimą ir pagerino ilgalaikį pajėgumą. Kreditas: Jill Hemman / ORNL

 

Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje M. Stanley Whittinghamas pirmasis apibūdino įkraunamų ličio jonų baterijų koncepciją, už kurią jis pasidalins 2019 m. Nobelio chemijos premiją. Tačiau net jis negalėjo numatyti sudėtingų medžiagų mokslo iššūkių, kurie iškils, kai šios baterijos pradės maitinti pasaulio nešiojamąją elektroniką.

 

Viena nuolatinė techninė problema yra ta, kad kiekvieną kartą įrenginyje įdedant naują ličio jonų bateriją, prieš pirmą kartą įkraunant įrenginį prarandama iki penktadalio energijos talpos. Tai tiesa, nesvarbu, ar akumuliatorius įdėtas į nešiojamąjį kompiuterį, fotoaparatą, rankinį laikrodį ar net į naują elektrinę transporto priemonę.

 

Priežastis yra priemaišos, susidarančios ant nikelio turtingų katodų – teigiamos (+) akumuliatoriaus pusės, per kurią iškraunama sukaupta energija.

 

Siekdamas rasti būdą, kaip išlaikyti prarastus pajėgumus, Whittingham vadovavo tyrėjų grupei, kurią sudarė jo kolegos iš Niujorko valstijos universiteto Binghamtone (SUNY Binghamton) ir Brukhaveno Energetikos departamento (DOE) mokslininkai. (BNL) ir Oak Ridge nacionalinės laboratorijos (ORNL). Komanda naudojo rentgeno spindulius ir neutronus, kad patikrintų, ar pagrindinę katodo medžiagą – sluoksniuotą nikelio, mangano ir kobalto medžiagą, vadinamą NMC 811 – apdorojus ličio neturinčiu niobio oksidu, baterija tarnaus ilgiau.

 

Tyrimo „Koks Nb vaidmuo ličio jonų baterijų nikelio sluoksniuotuose katoduose?“ rezultatai pateikiami ACS Energy Letters.

„Išbandėme NMC 811 ant sluoksniuotos oksido katodo medžiagos po to, kai numatėme, kad be ličio niobio oksidas sudarys nano dydžio ličio niobio oksido dangą ant paviršiaus, kuri laidų ličio jonus ir leis jiems prasiskverbti į katodo medžiagą“, sakė Whittingham, dabar žinomas SUNY profesorius ir Šiaurės rytų cheminės energijos saugojimo centro (NECCES), DOE Energy Frontier tyrimų centro, kuriam vadovauja SUNY Binghamton, direktorius.

 

Ličio baterijos turi katodus, pagamintus iš kintamų ličio ir nikelio turinčių oksidinių medžiagų (cheminių junginių, turinčių bent vieną deguonies atomą) sluoksnių, nes nikelis yra santykinai nebrangus ir padeda tiekti didesnį energijos tankį bei didesnę saugojimo talpą mažesnėmis sąnaudomis nei kiti metalai.

 

Tačiau katoduose esantis nikelis yra gana nestabilus, todėl lengvai reaguoja su kitais elementais, todėl katodo paviršius yra padengtas nepageidaujamomis priemaišomis, kurios per pirmąjį įkrovimo-iškrovimo ciklą sumažina akumuliatoriaus talpą 10–18 %. Nikelis taip pat gali sukelti nestabilumą katodo struktūros viduje, o tai dar labiau sumažina saugojimo talpą per ilgą įkrovimo ir iškrovimo laikotarpį.


Kad suprastų, kaip niobis veikia nikelio turinčias katodines medžiagas, mokslininkai atliko neutronų miltelių difrakcijos tyrimus VULCAN inžinerinių medžiagų difraktometru ORNL Spallation Neutron Source (SNS). Jie išmatavo gryno NMC 811 ir niobio modifikuotų mėginių neutronų difrakcijos modelius.

 

„Neutronai lengvai prasiskverbė pro katodo medžiagą, kad atskleistų, kur yra niobio ir ličio atomai, o tai leido geriau suprasti, kaip veikia niobio modifikavimo procesas“, – sakė NECCES baterijų skyriaus vadovas Hui Zhou. „Neutronų sklaidos duomenys rodo, kad niobio atomai stabilizuoja paviršių, kad sumažintų pirmojo ciklo nuostolius, o esant aukštesnei temperatūrai niobio atomai išstumia kai kuriuos mangano atomus giliau katodo medžiagos viduje, kad pagerintų ilgalaikį talpos išlaikymą.â

 

Eksperimento rezultatai parodė, kad per 250 įkrovimo ir iškrovimo ciklų sumažėjo pirmojo ciklo talpos praradimas ir pagerėjo ilgalaikis pajėgumo išlaikymas daugiau nei 93 proc.

 

„Dėl elektrocheminių savybių ir struktūrinio stabilumo patobulinimų niobio modifikuotas NMC 811 yra katodinės medžiagos kandidatas, skirtas naudoti didesnio energijos tankio įrenginiuose, pavyzdžiui, elektrinėse transporto priemonėse“, – sakė Vittingamas. âNiobio dangos derinimas su niobio atomų pakeitimu mangano atomais gali būti geresnis būdas padidinti pradinį pajėgumą ir ilgalaikį talpos išlaikymą. Šios modifikacijos gali būti lengvai padidintos naudojant dabartinius daugiapakopius NMC medžiagų gamybos procesus.â

 

Whittinghamas pridūrė, kad moksliniai tyrimai patvirtina tikslusBattery500 konsorciumas, kelių institucijų programa, kuriai vadovauja DOE Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinė laboratorija, skirta DOE Energijos efektyvumo ir atsinaujinančios energijos biurui. Programa kuria naujos kartos ličio metalo baterijų elementus, galinčius iki 500 vatų valandų vienam kilogramui, palyginti su dabartiniu maždaug 220 vatų valandų kilogramu.

 

Nuoroda: „Koks Nb vaidmuo nikelio turtinguose sluoksniuotuose oksido katoduose, skirtuose ličio jonų akumuliatoriams?“ Fengxia Xin, Hui Zhou, Yanxu Zong, Mateusz Zuba, Yan Chen, Natasha A. Chernova, Jianming Bai , Ben Pei, Anshika Goel, Jatinkumar Rana, Feng Wang, Ke An, Louis F. J. Piper, Guangwen Zhou ir M. Stanley Whittingham, 2021 m. kovo 18 d., ACS Energy Letters.
DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00190

 

Tyrimą palaikė DOE Energijos efektyvumo ir atsinaujinančios energijos biuras, Transporto priemonių technologijų biuras ir naudojo išteklius BNL Nacionaliniame sinchrotroninio šviesos šaltinio II (NSLS-II) ir ORNL Spallation Neutron Source.

 

SNS ir NSLS-II yra DOE Office of Science vartotojo įrenginiai. UT-Batelle LLC valdo ORNL DOE mokslo biurui. Mokslo biuras yra vienintelis didžiausias fizinių mokslų fundamentinių tyrimų rėmėjas Jungtinėse Valstijose ir stengiasi išspręsti kai kuriuos aktualiausius mūsų laikų iššūkius.