Neue Strategie für Li-Ionen-Batterien mit extrem langer Lebensdauer
Forscher haben erfolgreich ein leistungsstarkes Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien auf Basis von lithiumreichem Mangan hergestellt
In den letzten Jahren haben sich Lithium-Ionen-Batterien in vielen Bereichen durchgesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien tragen mehr Lithium-Ionen in Kathodenmaterialien auf Lithium-Mangan-Basis pro Masseneinheit zur Energiespeicherung bei. Bei der Batteriereaktion kommt es jedoch durch die Anhäufung von Spannungen und den Verlust von Gittersauerstoff zu Mikrorissen in lithiumreichen Manganwerkstoffen. Die Migration von Übergangsmetallionen führt zu einem Phasenübergang der Materialien und anderen schädlichen Nebenreaktionen, wodurch die tatsächliche Batterieleistung nicht optimal ist.
Schematische Darstellung des epitaktischen Spinell-Stabilisators und des S-Dotierungsmechanismus.
LI Wanyun
Wie man diese negativen Auswirkungen während des Batteriezyklus wirksam vermeiden kann, ist der Schlüssel zur Verbesserung der Materialleistung und zur praktischen Anwendbarkeit des Materials in der Zukunft.
Laut einem kürzlich im Chemical Engineering Journal veröffentlichten Artikel haben Forscher des Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erfolgreich ein hochleistungsfähiges Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien auf Manganbasis hergestellt.
Das Team unter der Leitung von Prof. ZHAO Bangchuan führte die Schwefeldotierung und das In-situ-Wachstum einer kohärenten Spinellphase synchron auf der Oberfläche von Materialien auf Lithium-Mangan-Basis durch und kombinierte dies mit Optimierungsstrategien für Sauerstofflücken.
Die epitaktische Spinellschicht, die mit der inneren Schichtphase zusammenhängt, kann den direkten Kontakt zwischen dem Elektrolyten und dem aktiven Material während der Batteriereaktion wirksam vermeiden und einen dreidimensionalen Kanal für die Diffusion von Lithiumionen bereitstellen.
Darüber hinaus kann die S-Dotierung den Abstand zwischen den Kristallebenen von Materialien mit Oberflächenschichten vergrößern, die Energiebarriere für den Ladungstransfer in den Materialien verringern und die chemische Bindung, die zwischen Schwefel und Übergangsmetallelementen gebildet wird, kann auch die irreversible Anionen-Redoxfunktion anpassen und die Struktur der Materialien stabilisieren.
Gleichzeitig kann die durch die Schwefeldotierung induzierte Sauerstofflücke den Verlust von oberflächenaktivem Sauerstoff verhindern und die Integrität der Hauptphasenstruktur schützen.
Durch die multifunktionale Modifizierung der Oberflächenschicht hat dieses lithiumreiche Material auf Manganbasis eine sehr gute Leistung, insbesondere die Zyklenleistung: Nach 600 Zyklen kann die Kapazitätserhaltungsrate der Münzbatterie 82,1 % erreichen, die Energiedichte der gepackten Vollbatterie, die mit einer handelsüblichen Graphitanode zusammengebaut wurde, kann 604 Wh kg-1 erreichen, und die Kapazitätserhaltungsrate beträgt 81,7 % nach 140 Zyklen.
Die Arbeit lieferte Hinweise für die weitere Modifizierung von lithiumreichen Materialien auf Manganbasis.
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