Ein atomarer Blick auf lithiumreiche Batterien – ScienceDaily

Batterien haben einen langen Weg zurückgelegt, seit Volta vor 200 Jahren erstmals Kupfer- und Zinkscheiben zusammenstapelte. Während sich die Technologie von Bleisäure zu Lithium-Ionen weiterentwickelt hat, bestehen noch viele Herausforderungen – wie das Erreichen einer höheren Dichte und die Unterdrückung des Dendritenwachstums. Experten kämpfen darum, dem wachsenden weltweiten Bedarf an energieeffizienten und sicheren Batterien gerecht zu werden.

Die Elektrifizierung von schweren Nutzfahrzeugen und Flugzeugen erfordert Batterien mit höherer Energiedichte. Ein Forscherteam ist der Ansicht, dass ein Paradigmenwechsel erforderlich ist, um die Batterietechnologie für diese Industrien maßgeblich zu beeinflussen. Diese Verschiebung würde den anionischen Reduktions-Oxidations-Mechanismus in lithiumreichen Kathoden nutzen. Ergebnisse veröffentlicht in Natur Dies ist das erste Mal, dass diese anionische Redoxreaktion in einem lithiumreichen Batteriematerial direkt beobachtet wurde.

Zu den kooperierenden Institutionen gehörten die Carnegie Mellon University, die Northeastern University, die Lappeenranta-Lahti University of Technology (LUT) in Finnland und Institutionen in Japan wie die Gunma University, das Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), die Yokohama National University, die Kyoto University und die Ritsumeikan University.

Lithiumreiche Oxide sind vielversprechende Kathodenmaterialklassen, da sie nachweislich eine viel höhere Speicherkapazität aufweisen. Aber es gibt ein „UND-Problem“, das Batteriematerialien erfüllen müssen – das Material muss schnell aufgeladen werden können, gegenüber extremen Temperaturen stabil sein und Tausende von Zyklen zuverlässig durchlaufen. Wissenschaftler benötigen ein klares Verständnis davon, wie diese Oxide auf atomarer Ebene funktionieren und wie ihre zugrunde liegenden elektrochemischen Mechanismen dabei eine Rolle spielen.

Normale Li-Ionen-Batterien arbeiten durch kationisches Redox, wenn ein Metallion seinen Oxidationszustand ändert, wenn Lithium eingeführt oder entfernt wird. Innerhalb dieses Insertionsgerüstes kann pro Metall-Ion nur ein Lithium-Ion gespeichert werden. Lithiumreiche Kathoden können jedoch viel mehr speichern. Forscher führen dies auf den anionischen Redox-Mechanismus zurück – in diesem Fall Sauerstoff-Redox. Diesem Mechanismus wird die hohe Kapazität der Materialien zugeschrieben, die die Energiespeicherung im Vergleich zu herkömmlichen Kathoden nahezu verdoppelt. Obwohl sich dieser Redox-Mechanismus als führender Konkurrent unter den Batterietechnologien herausgestellt hat, bedeutet er einen Dreh- und Angelpunkt in der materialchemischen Forschung.

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Das Team wollte schlüssige Beweise für den Redoxmechanismus liefern, der die Compton-Streuung nutzt, das Phänomen, bei dem ein Photon nach der Wechselwirkung mit einem Teilchen (normalerweise einem Elektron) von einer geraden Bahn abweicht. Die Forscher führten anspruchsvolle theoretische und experimentelle Studien am SPring-8 durch, der weltweit größten Synchrotronstrahlungsanlage der dritten Generation, die von JASRI betrieben wird.

Synchrotronstrahlung besteht aus den schmalen, starken Strahlen elektromagnetischer Strahlung, die erzeugt werden, wenn Elektronenstrahlen auf (fast) Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und durch ein Magnetfeld auf eine gekrümmte Bahn gezwungen werden. Comptonstreuung wird sichtbar.

Die Forscher beobachteten, wie das elektronische Orbital, das das Herzstück der reversiblen und stabilen anionischen Redoxaktivität bildet, abgebildet und visualisiert sowie sein Charakter und seine Symmetrie bestimmt werden können. Diese wissenschaftliche Premiere kann für die zukünftige Batterietechnologie wegweisend sein.

Während frühere Forschungen alternative Erklärungen des anionischen Redoxmechanismus vorgeschlagen haben, konnte sie kein klares Bild der mit Redoxreaktionen verbundenen quantenmechanischen elektronischen Orbitale liefern, da dies nicht durch Standardexperimente gemessen werden kann.

Das Forscherteam hatte ein “A ha!” Moment, als sie zum ersten Mal die Übereinstimmung im Redoxcharakter zwischen Theorie und experimentellen Ergebnissen sahen. „Wir haben festgestellt, dass unsere Analyse die Sauerstoffzustände abbilden kann, die für den für die Batterieforschung grundlegend wichtigen Redox-Mechanismus verantwortlich sind“, erklärt Hasnain Hafiz, Erstautor der Studie, der diese Arbeit während seiner Zeit als Postdoktorand durchgeführt hat Mitarbeiter bei Carnegie Mellon.

“Wir haben schlüssige Beweise für den anionischen Redoxmechanismus in einem lithiumreichen Batteriematerial”, sagte Venkat Viswanathan, außerordentlicher Professor für Maschinenbau bei Carnegie Mellon. „Unsere Studie liefert ein klares Bild der Funktionsweise einer Lithium-reichen Batterie auf atomarer Ebene und schlägt Wege für die Entwicklung von Kathoden der nächsten Generation vor, um die elektrische Luftfahrt zu ermöglichen. Das Design von Kathoden mit hoher Energiedichte stellt die nächste Grenze für Batterien dar. “

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Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von College of Engineering, Carnegie Mellon University. Original geschrieben von Lisa Kulick. Hinweis: Der Inhalt kann hinsichtlich Stil und Länge bearbeitet werden.

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