Während seines Ph.D. Gemeinsam mit der TUoS entwickelte der ISIS-Student für Anlagenentwicklung, Innes McClelland, eine Zelle zum Testen von Batteriematerialien während ihres Betriebs mittels Myonenspektroskopie und nutzte sie zur Untersuchung eines immer wichtiger werdenden Kathodenmaterials.
Um die Leistung bestehender Batterien zu verbessern und neue Materialien für den Einsatz in den Batterien der Zukunft zu entwickeln, ist es wichtig zu verstehen, was im Inneren eines Batteriematerials beim Laden und Entladen passiert.
Ein Kathodenmaterial, das sich für zukünftige Batterien als immer wichtiger erweist, ist LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2, bekannt als NMC811. Dieses Material verfügt über eine hohe Kapazität, erleidet jedoch häufig einen irreversiblen Kapazitätsverlust zwischen dem ersten Laden und Entladen. Es wird angenommen, dass dieser Kapazitätsverlust auf kinetische Hindernisse für die Diffusion der Lithiumionen im Material zurückzuführen sein könnte. Das Verständnis dieses Problems könnte zu Erkenntnissen führen, die in die Gestaltung neuer und verbesserter Alternativen einfließen.
Die Myonenspektroskopie ist ein hervorragendes Werkzeug zur Untersuchung dieser Materialien, da sie die Diffusion von Ionen wie Lithium und Natrium auf lokaler Ebene untersuchen kann und dabei Grenzflächen- oder Korngrenzeneffekte weitgehend vermeidet. Bei früheren Myonenexperimenten an Batteriematerialien wurden die Komponenten einzeln außerhalb einer Batterie untersucht. Obwohl diese für das Verständnis der grundlegenden Eigenschaften nützlich sind, fehlt ihnen ein Einblick in das Verhalten der Materialien im Betrieb.
Professorin Serena Cussen, die Innes während seiner Doktorarbeit mitbetreute, sprach im Rahmen einer von ISIS organisierten Sitzung auf der AAAS-Konferenz im März. In diesem Video gibt sie einen Überblick über die Arbeit ihrer Forschungsgruppe und wie sie Neutronen und Myonen nutzt, um mehr über Materialien zu erfahren, die für die Forschung zur sauberen Energiespeicherung von Interesse sind. Bildnachweis: University of Sheffield
Im Rahmen seines ISIS-Studiums zur Anlagenentwicklung entwarf Dr. Innes McClelland eine Zelle, die genau das leisten könnte. In Zusammenarbeit mit seinem Co-Betreuer, dem Beamline-Wissenschaftler Peter Baker, und Ingenieuren von ISIS, seiner Betreuerin, Professorin Serena Cussen von der University of Sheffield, und Kollegen vom Next-Generation-Kathodenprojekt FutureCat der Faraday Institution konnte er eine Zelle für Operando entwerfen Myonenspektroskopische Messungen.
Wie in ihrem jüngsten Artikel erläutert, veröffentlicht in Chemie der Materialienkonnte die Gruppe diese Zelle nutzen, um NMC811 zu untersuchen und zu untersuchen, was die Ursache für die mangelnde Wiederholbarkeit von Zyklen sein könnte. Mit dem neuen Aufbau konnten sie während des ersten Zyklus die Lithiumdiffusionseigenschaften innerhalb des Materials an über 70 Punkten messen. Sie fanden heraus, dass die Lithiumdiffusion erwartungsgemäß bei einem höheren Ladezustand schneller war, sich jedoch nie wieder auf den gleichen Wert wie in der ursprünglichen Probe erholte.
Interessanterweise konnten sie durch die Kombination der unterschiedlichen Messeigenschaften der Myonenspektroskopie mit elektrochemischen Methoden feststellen, dass diese langsame Diffusion eher auf der Oberfläche der Kathode als im Volumenmaterial vorherrschte. Dies deutet darauf hin, dass Prozesse, die sich auf die Stabilisierung der Oberfläche des Materials konzentrieren, seine Eigenschaften wahrscheinlich erfolgreicher verbessern können.
„Die aufregende Entwicklung der operando-Myonenspektroskopie eröffnet Forschern, die an Energiespeichermaterialien arbeiten, vielfältige Möglichkeiten und ermöglicht eine einzigartige Perspektive der Ionendiffusion aus dem Inneren der Materialien selbst während des Betriebs“, erklärt Innes.
Er fügt hinzu: „Ich freue mich auf zukünftige Studien, die das Gebiet in Richtung einer Vielzahl von Batteriechemien weiterentwickeln können.“
Mehr Informationen:
Innes McClelland et al., Direkte Beobachtung des dynamischen Lithiumdiffusionsverhaltens in nickelreichen LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 (NMC811)-Kathoden mittels Operando-Muonenspektroskopie, Chemie der Materialien (2023). DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c03834