Eine skalierbare Strategie zur Synthese reiner und hochleistungsstarker Einzelkristallkathoden.

14. April 2023 Funktion

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Von Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Energieingenieure und Materialwissenschaftler versuchen kontinuierlich, sichere Batterietechnologien zu schaffen, die höhere Energiedichten und Effizienzen sowie längere Lebenszyklen aufweisen. Da Lithium-Ionen-Batterien (LiBs) zu den am weitesten verbreiteten Batterietechnologien gehören, konzentrieren sich viele aktuelle Forschungsbemühungen darauf, die einzelnen Komponenten dieser Batterien zu verbessern, einschließlich Kathoden, den positiven Elektroden innerhalb von Batteriezellen.

Die meisten vorgeschlagenen Kathoden für LiBs haben polycristaline Morphologien, was bedeutet, dass sie aus mehreren verschiedenen kristallinen Partikeln bestehen. Obwohl diese Kathoden leicht in großen Mengen hergestellt werden können, neigen sie dazu, während des Batteriebetriebs zu zerbrechen, was dazu führen kann, dass einige aktive Materialien innerhalb von ihnen isoliert werden, indem sie sie den flüssigen Elektrolyten aussetzen und die Leistung der Batterie potenziell verschlechtern.

Einkristalline Kathoden, die auf einzelnen kristallinen Partikeln mit einer bestimmten Korngröße basieren, könnten dazu beitragen, diese entscheidende Einschränkung der polykristallinen Kathoden zu überwinden. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, sie zuverlässig mit skalierbaren Prozessen herzustellen.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Südkorea haben kürzlich eine neue skalierbare Strategie zur Synthese von einzellig kristallinen Kathoden mit hoher Phasenreinheit und guter elektrochemischer Leistung vorgestellt. Diese Strategie, die in Nature Energy vorgestellt wurde, besteht darin, geschmolzene Li-Salze zu verwenden, um die Grenzflächen zwischen kleineren Körnern zu korrodieren und sie in größere Kristalle umzuwandeln, was zu einzellig geschichteten Kathoden führt.

"Begrenzt durch den zugänglichen Temperaturbereich, um die Verdampfung von Lithium zu verhindern, Defekte im Gitter und Partikelagglomerationen bleibt die Herstellung von einkristallinen Kathoden mit hoher Phasenreinheit, guter elektrochemischer Leistung und Skalierbarkeit eine Herausforderung", sagten Moonsu Yoon, Yanhao Dong und ihre Kollegen gegenüber Tech Xplore.

"Wir haben einen neuen mechanisch-chemischen Aktivierungsprozess erfunden, der eine allgemeine Lösung für das Dilemma der Synthetisierung von groben einzelligen Kathoden mit Li-/Mn-reicher oder Ni-reicher Chemie bietet, die sich von den geräte- und energieintensiven und lang andauernden mechanisch-chemischen Routen unterscheiden, die schwer zu skalieren sind."

Die von Yoon, Dong und Kollegen vorgeschlagene Strategie zur Synthese einzelliger Kristallkathoden basiert auf einer planetarischen zentrifugalen Deagglomerations-Technik. Das Team zeigte, dass diese Strategie die skalierbare Herstellung von einzelligen Kristallkathoden aus leicht zu beschaffenden Materialien ermöglichen könnte, da sie kommerziell erhältlich sind.

"Unser Ansatz basiert auf der interfacialen reaktiven Benetzung, vermittelt durch transiente eutektische Salze, die durch moderate mechanische Agitationen vor Ort geschmolzen werden, um eine kolloidale Suspension von nanoskaligen Oxiden in geschmolzenem Lithiumsalz zu bilden", schrieben Yoon, Dong und ihre Kollegen in ihrem Papier. "Es deagglomeriert die polykristallinen Vorstufen effizient, packt die Kristalle um und homogenisiert die Verteilung des Lithiumsalzes, wodurch eine einfache Partikelvergröberung später in die Einzelkristallmorphologie mit verbesserter elektrochemischer Leistung ermöglicht wird."

Bemerkenswerterweise können die von den Forschern verwendeten geschmolzenen Li-Salze die gewünschte Reaktion ohne zusätzliche Chemikalien erzeugen. Ihre Synthesestrategie kann auch leicht in vorhandene Kathodenherstellungsprozesse integriert werden, was ihre weit verbreitete Akzeptanz erheblich erleichtern könnte.

Diese kürzlich durchgeführte Studie könnte bald die Entwicklung zusätzlicher Strategien zur Schaffung hochleistungsfähiger einzelliger Kristallkathoden für LiBs informieren. Gemeinsam könnten diese Strategien dazu beitragen, die Einschränkungen bestehender Kathoden zu überwinden und zur Schaffung zunehmend fortschrittlicher Batterielösungen beitragen.

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