Wissenschaftler verwenden neuartige Methode, um vielversprechendes Batteriematerial herzustellen

Das Laden und Entladen einer Batteriezelle verwandelt ihr Elektrodenmaterial in ein „Super“-Material.

In den letzten zehn Jahren haben Fortschritte in Forschung und Entwicklung zu effizienteren Lithium-Ionen-Batterien geführt. Dennoch bleiben erhebliche Mängel bestehen. Eine Herausforderung ist die Notwendigkeit eines schnelleren Ladens, was dazu beitragen kann, die Einführung von Elektrofahrzeugen zu beschleunigen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Boise State University und der University of California San Diego hat einen unkonventionellen Ansatz für dieses Problem gewählt. Unter Verwendung der Ressourcen des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) schufen sie ein Hochleistungsmaterial für Batterieelektroden. Die Verbindung Niobpentoxid hat eine neuartige Kristallstruktur. Es ist vielversprechend, um das Aufladen zu beschleunigen und gleichzeitig eine hervorragende Speicherkapazität bereitzustellen.

Die Studie des Teams wurde in veröffentlicht Naturmaterialien im Mai 2022.

Während des Ladevorgangs wandern Lithium-Ionen von der positiven Elektrode (Kathode) zur negativen Elektrode (Anode), die üblicherweise aus Graphit besteht. Bei höheren Ladegeschwindigkeiten neigt Lithiummetall dazu, sich auf der Graphitoberfläche anzusammeln. Dieser Effekt, der als Galvanisierung bekannt ist, neigt dazu, die Leistung zu beeinträchtigen und kann dazu führen, dass Batterien kurzgeschlossen, überhitzt und Feuer fangen.

Niobpentoxid ist viel weniger anfällig für Plattierungen, was es möglicherweise sicherer und haltbarer als Graphit macht. Darüber hinaus können sich seine Atome in vielen verschiedenen stabilen Konfigurationen anordnen, für deren Neukonfiguration nicht viel Energie erforderlich ist. Dies bietet Forschern Möglichkeiten, neue Strukturen zu entdecken, die die Batterieleistung verbessern könnten.

Für diese Studie bauten die Forscher eine Knopfzelle mit Niobpentoxid als Elektrodenmaterial. (Eine Knopfzelle, auch als Knopfzelle bekannt, ist ein kleines, kreisförmiges Batteriegerät.) Das Niobpentoxid hatte eine amorphe Struktur – mit anderen Worten, eine ungeordnete Anordnung von Atomen. Durch mehrmaliges Laden und Entladen der Zelle verwandelte sich die ungeordnete Struktur in eine geordnete, kristalline. Diese besondere Struktur war noch nie zuvor in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben worden.

Im Vergleich zur ungeordneten Anordnung ermöglichte die kristalline Struktur einen einfacheren und schnelleren Transport von Lithium-Ionen in die Anode während des Ladevorgangs. Dieser Befund weist auf das Versprechen des Materials hin, schnell aufgeladen zu werden, und andere Messungen deuten darauf hin, dass es eine große Ladungsmenge speichern kann.

Argonne bietet mehrere komplementäre Tools

Aufgrund der komplexen Änderungen während des Lade-Entlade-Zyklus waren mehrere komplementäre Diagnosewerkzeuge für ein umfassendes Verständnis erforderlich. Hier kamen Argonne – und zwei Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science im Labor – ins Spiel.

Yuzi Liu, ein Wissenschaftler am Argonne Center for Nanoscale Materials (CNM), verwendete eine Technik namens Transmissionselektronenmikroskopie, um die strukturelle Umwandlung von amorph zu kristallin zu verifizieren. Bei dieser Technik werden hochenergetische Elektronenstrahlen durch eine Materialprobe geschickt. Es erstellt digitale Bilder basierend auf der Wechselwirkung der Elektronen mit der Probe. Die Bilder zeigen, wie Atome angeordnet sind.

„Da der Elektronenstrahl auf einen kleinen Bereich der Probe fokussiert wird, liefert die Technik detaillierte Informationen über diesen bestimmten Bereich“, sagte Liu.

Hua Zhou, ein Physiker in Argonnes Advanced Photon Source (APS), bestätigte die strukturelle Veränderung mit einer anderen Technik, die als Synchrotron-Röntgenbeugung bekannt ist. Dabei wird die Probe mit hochenergetischen Röntgenstrahlen getroffen, die an den Elektronen der Atome im Material gestreut werden. Ein Detektor misst diese Streuung, um die Struktur des Materials zu charakterisieren.

Die Röntgenbeugung ist effektiv, um Informationen über allgemeine Strukturänderungen über eine gesamte Materialprobe hinweg bereitzustellen. Dies kann bei der Untersuchung von Batterieelektrodenmaterialien hilfreich sein, da ihre Strukturen dazu neigen, von einem Bereich zum anderen zu variieren.

„Indem ich das Anodenmaterial mit Röntgenstrahlen in verschiedenen Winkeln traf, bestätigte ich, dass es entlang der Oberfläche und im Inneren gleichmäßig kristallin war“, sagte Zhou.

Die Forschung stützte sich auch auf andere Argonne-Fähigkeiten zur Charakterisierung von Materialien. Justin Connell, ein Materialwissenschaftler im Electrochemical Discovery Laboratory von Argonne, verwendete ein Werkzeug namens Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, um das Anodenmaterial zu bewerten. Connell schoss Röntgenstrahlen in die Anode und schleuderte Elektronen mit einer bestimmten Energie aus ihr heraus.

„Die Technik zeigte, dass Niobatome beim Laden der Zelle mehrere Elektronen gewinnen“, sagte Connell. „Das deutet darauf hin, dass die Anode eine hohe Speicherkapazität hat.“

Der Argonne-Physiker Sungsik Lee bewertete auch den Gewinn und Verlust von Elektronen durch Niob. Er verwendete eine andere Technik namens Röntgenabsorptionsspektroskopie. Dazu wurde das Anodenmaterial mit intensiven Synchrotron-Röntgenstrahlen getroffen und die Transmission und Absorption der Röntgenstrahlen im Material gemessen.

„Die Technik lieferte ein Gesamtbild des Zustands der Elektronen über die gesamte Anode“, sagte Lee. „Dies bestätigte, dass Niob mehrere Elektronen gewinnt.“

Argonne ist insofern ungewöhnlich, als es all diese Forschungsmöglichkeiten auf seinem Campus hat. Claire Xiong, die leitende Forscherin der Studie, forschte als Postdoktorandin am CNM von Argonne, bevor sie als Materialwissenschaftlerin an die Fakultät der Boise State wechselte. Sie war mit den umfangreichen Fähigkeiten von Argonne vertraut und hatte zuvor mit den Argonne-Wissenschaftlern zusammengearbeitet, die an der Studie mitgewirkt hatten.

„Die Einrichtungen und das Personal in Argonne sind Weltklasse“, sagte Xiong. „Diese Arbeit zur Entdeckung der einzigartigen Umwandlung in Niobpentoxid profitierte enorm von der Zusammenarbeit mit Argonne-Wissenschaftlern. Sie profitierte auch vom Zugang zum APS, Electrochemical Discovery Laboratory und CNM.“

Es ist sehr schwierig, das hochleistungsfähige, kristalline Niobpentoxid mit herkömmlichen Syntheseverfahren herzustellen, wie z. B. solchen, bei denen Materialien Hitze und Druck ausgesetzt werden. Der in dieser Studie erfolgreich angewandte unkonventionelle Syntheseansatz – Laden und Entladen einer Batteriezelle – könnte auf die Herstellung anderer innovativer Batteriematerialien angewendet werden. Es könnte möglicherweise sogar die Herstellung neuartiger Materialien in anderen Bereichen wie Halbleitern und Katalysatoren unterstützen.