Introductie van een nieuwe moleculaire orbitale interactie die kathodematerialen stabiliseert voor lithium-ionbatterijen.
Een groot internationaal team onder leiding van wetenschappers van het Instituut voor supergeleidende en elektronische materialen aan de Universiteit van Wollongong heeft geverifieerd dat de introductie van nieuwe moleculaire orbitale interacties de structurele stabiliteit van kathodematerialen voor lithium-ionbatterijen kan verbeteren.
De productie van betere kathodematerialen voor krachtige lithium-ionbatterijen is een grote uitdaging voor de elektrische auto-industrie.
In onderzoek gepubliceerd in Angewandte Chemie, gebruikte eerste auteur Dr. Gemeng Liang, Prof Zaiping Guo, A/Prof Wei Kong Pang and Associates, meerdere mogelijkheden bij ANSTO en andere technieken om bewijs te leveren dat een veelbelovend kathodemateriaal, Spinel Lini 0,5 mn 1,5 o 4 (LNMO), met Germanium versterkt de 4 S- 2 P orbitale interactie tussen zuurstof en metaalkationen aanzienlijk.
Dr. Liang.
De 4 S- 2 P Orbital is relatief ongewoon, maar we vonden een verbinding in de literatuur waarin Germanium een valentietoestand van + 3 heeft, waardoor een elektronenconfiguratie mogelijk is ([AR] 3 D 10 4 s 1 ) waarin 4 s overgang Metalen orbitale elektronen zijn beschikbaar om te interageren met niet-gepaarde elektronen in de zuurstof 2 P orbitaal, waardoor het hybride 4 S- 2 P orbitaal wordt geproduceerd.
De 4 S- 2 P Orbital creëert structurele stabiliteit in het LNMO-materiaal, zoals bepaald met behulp van synchrotron- en neutronenexperimenten bij ANSTO`s Australische synchrotron en het Australian Center for Neutron Scattering, evenals andere methoden.
Het team gebruikte neutronen en (lab-gebaseerde) röntgenpoederdiffractie, evenals microscopie, om de locatie van het gedoteerde germanium te bevestigen op de 16 C en 16 D kristallografische plaatsen van de LNMO-structuur met FD3¯m ruimtegroepsymmetrie.
Aangezien de valentie-toestand van de germanium-doteermiddelen belangrijk was om te onderzoeken, werden laboratorium röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) en röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) metingen bij de Australische synchrotron uitgevoerd.
Ze bevestigden dat Germanium -doteermiddelen een gemiddelde valentietoestand van +3,56 hebben, waarbij Germanium op de 16 C en 16D -locaties respectievelijk +3 en +4 zijn. De resultaten van DENSITY FUNCTIONELE THEORIE (DFT) Berekeningen ondersteunden deze observatie.
De onderzoekers evalueerden de elektrochemische prestaties van batterijen die LNMO bevatten en vergeleken die met die met LNMO met 4 s -2 P orbitale hybridisatie (bekend als 4S -LNMO). Uit deze beoordelingen bleek dat doping met 2% germanium bijdroeg aan superieure structurele stabiliteit, evenals verminderde batterijspanningspolarisatie, verbeterde energiedichtheid en hoogspanningsuitgang.
[We wilden de lithiumdiffusiekinetiek in de twee materialen begrijpen en ontdekten dat nadat het germanium in het systeem is geïntroduceerd, de diffusie van lithium in het materiaal sneller is, waardoor snellere ladingscapaciteit mogelijk is, "zei Dr. Liang.
Na de prestatietests gebruikte Dr. Liang op synchrotron-gebaseerde nabij-edge röntgenabsorptiespectroscopie (NEXAF's) op de zachte röntgenstralenline voor meer gedetailleerde informatie over de elektronische structuren van actieve materialen tijdens fietsen.
Spectroscopische gegevens bij de open circuitspanning van de batterij vonden een significante toename van de intensiteit van pieken van het 4S-LNMO-materiaal op de positie die overeenkomt met de 4 s -2 P orbitale hybridisatie die verdere validatie van de succesvolle introductie van de roman 4 S -2 P orbitale interactie.
[Omdat we de niet -ingevulde orbitalen kunnen zien, zijn deze op een afzonderlijke maar gecompliceerde manier gekoppeld aan de gevulde orbitalen, we kunnen deze gebruiken om de chemie van het systeem beter te karakteriseren door kwantummechanische berekeningen of in vergelijking met vergelijkbare materialen, "zei Co-auteur instrumentwetenschapper Dr. Bruce Cowie.
De NEXAFS -gegevens waren ook nuttig bij het evalueren van het gedrag van mangaan in het materiaal.
[We weten dat het voorkomen dat mangaan oplost in de elektrolyt en het remmen van de vorming van mangaan +2 en +3 in de structuur zal helpen structurele afbraak te voorkomen, "zei Dr. Liang.
De NEXAFS-resultaten toonden aan dat er slechts een kleine hoeveelheid MN3+ was en geen merkbare MN2+ in de 4S-LNMO, die de structurele stabiliteit van het materiaal verder verhoogt.
In operando -experimenten met de poederdiffractiebalklijn bij de Australische synchrotron onderzocht het structurele gedrag van het materiaal in een batterij tijdens het fietsen. Met behulp van deze gegevens bevestigde het team de onderdrukking van een ongunstige tweefasige reactie bij hoge bedrijfsspanning in de 4S-LNMO.
[Orbitale hybridisatie is een vrij nieuw concept in batterijonderzoek, maar is veelbelovend voor het oplossen van problemen met batterijprestaties, "zei Dr. Liang.
[Nog beter - deze aanpak is uit te breiden naar andere batterijmaterialen. "
Andere co-auteurs van ANSTO waren dr. Anita D`angelo, Dr. Bernt Johannessen, Dr. Lars Thomsen en Prof Vanessa Peterson.
Samenwerkende instellingen waren de University of Adelaide , de University of Surrey (VK) en het Industrial Technology Research Institute (Taiwan).
Dr. Liang, die momenteel een functie bekleedt aan de Universiteit van Adelaide, ontving een Post Graduate Research Award van het Australian Institute of Nuclear Science and Engineerin G (AINSE).
Key Points
- De introductie van nieuwe moleculaire orbitale interactie verbeterde de structurele stabiliteit van een veelbelovend kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen
- Doping met germanium vertoonde superieure structurele stabiliteit, evenals verminderde batterijspanningspolarisatie, verbeterde energiedichtheid en hoogspanningsuitgang in het materiaal
- Een internationaal team onder leiding van wetenschappers van het Instituut voor supergeleidende en elektronische materialen aan de Universiteit van Wollongong gebruikte meerdere technieken bij ANSTO`s Australian Synchrotron en het Australian Center for Neutron Scattering om moleculaire orbitale interacties op te helderen
