Einführung einer neuartigen molekularen Orbitalwechselwirkung, die Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien stabilisiert.
Ein großes internationales Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Instituts für supraleitende und elektronische Materialien an der Universität von Wollongong hat überprüft, ob die Einführung neuartiger molekularer Orbitalwechselwirkungen die strukturelle Stabilität von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien verbessern kann.
Die Produktion besserer Kathodenmaterialien für leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien ist eine große Herausforderung für die Elektroautoindustrie.
In Forschungen, die in Angewandte Chemie veröffentlicht wurden, verwendeten der erste Autor Dr. Gemeng Liang, Prof. Zaiping Guo, A/Prof. Wei Kong Pang und Associates mehrere Funktionen bei Ansto und anderen Techniken, um Beweise dafür zu liefern, dass ein vielversprechendes Kathodenmaterial, Spinel lini 0,5 mn 1,5 o 4 ( LNMO ), mit Germanium, stärkt die Wechselwirkung zwischen 4 s-2 p zwischen Sauerstoff und Metallkationen signifikant.
Dr. Liang.
Das 4 S -2 P -Orbital ist relativ ungewöhnlich, aber wir haben eine Verbindung in der Literatur gefunden, in der Germanium einen Valenzzustand von + 3 hat, der eine Elektronenkonfiguration ([AR] 3 D 10 4 s 1 ) ermöglicht, in der 4 s Übergang Metall-Orbitalelektronen können mit ungepaarten Elektronen im Sauerstoff 2 P -Orbital interagieren und das Hybrid 4 S -2 P -Orbital produzieren.
Das 4 S -2 P -Orbital schafft strukturelle Stabilität im LNMO-Material, wie unter Verwendung von Synchrotron- und Neutronenexperimenten an der australischen Synchrotron von Ansto und dem australischen Zentrum für Neutronenstreuung sowie anderen Methoden ermittelt.
Das Team verwendete Neutronen- und (Laborbasierte) Röntgenpulverbeugung sowie Mikroskopie, um die Position des dotierten Germaniums an den kristallographischen Stellen von 16 ° C und 16 Tage der LNMO -Struktur mit FD3-M-Raumgruppensymmetrie zu bestätigen.
Da der Valenzzustand der Germanium-Dotiermittel wichtig war, wurden Messungen der Labor-Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) am australischen Synchrotron durchgeführt.
Sie bestätigten, dass Germanium -Dotiermittel einen durchschnittlichen Valenzzustand von +3,56 haben, wobei Germanium an den 16 °- und 16D -Standorten +3 bzw. +4 betrug. Die Ergebnisse der Dichtefunktionalentheorie (DFT) berechneten diese Beobachtung.
Die Forscher bewerteten die elektrochemische Leistung von Batterien, die LNMO enthielten, und verglichen diese mit denen, die LNMO enthalten, mit 4 s -2 P -Orbitalhybridisierung (bekannt als 4S -LNMO). Diese Bewertungen ergaben, dass das Dotieren von 2% Germanium zu einer überlegenen strukturellen Stabilität sowie zu einer verringerten Batteriespannungspolarisation, einer verbesserten Energiedichte und einer Hochspannungsausgabe beitrug.
[Wir wollten die Lithiumdiffusionskinetik in den beiden Materialien verstehen und stellten fest, dass die Diffusion von Lithium im Material nach dem Einführen des Germaniums schneller ist, was eine schnellere Ladungsfähigkeit ermöglicht ", sagte Dr. Liang.
Nach den Leistungstests verwendete Dr. Liang auf der Softröntgenstrahllinie synchrotronbasierte Nahkante-Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS), um detailliertere Informationen über die elektronischen Strukturen von aktiven Materialien während des Zyklus zu erhalten.
Spektroskopische Daten an der offenen Schaltungsspannung der Batterie fand eine signifikante Erhöhung der Intensität der Peaks des 4S - LNMO S -2 P Orbital -Wechselwirkung.
[Da wir die nicht besetzten Orbitale sehen können, sind diese auf eindeutige, aber komplizierte Weise mit den gefüllten Orbitalen verbunden. Wir können diese verwenden, um die Chemie des Systems entweder durch quantenmechanische Berechnungen oder im Vergleich zu ähnlichen Materialien besser zu charakterisieren " Co-Autor-Instrumentwissenschaftler Dr. Bruce Cowie.
Die NEXAFS -Daten waren auch nützlich bei der Bewertung des Verhaltens von Mangan im Material.
[Wir wissen, dass sich Mangan davon abhält, sich in den Elektrolyten aufzulösen und die Bildung von Mangan +2 und +3 in der Struktur zu hemmen, hilft, einen strukturellen Abbau zu verhindern ", sagte Dr. Liang.
Die NEXAFS-Ergebnisse zeigten, dass es im 4S-LNMO nur eine geringfügige Menge an mn3+ und kein merklichem Mn2+ gab, was die strukturelle Stabilität des Materials weiter erhöht.
In Operando -Experimenten an der Pulverbeugungsstrahllinie am australischen Synchrotron untersuchte das strukturelle Verhalten des Materials innerhalb einer Batterie während des Radfahrens. Unter Verwendung dieser Daten bestätigte das Team die Unterdrückung einer ungünstigen Zweiphasenreaktion bei hoher Betriebsspannung im 4S-LNMO.
[Orbital -Hybridisierung ist ein neues Konzept in der Batterieforschung, ist jedoch sehr vielversprechend für die Lösung von Batterieleistungsproblemen “, sagte Dr. Liang.
[Noch besser - dieser Ansatz ist für andere Batteriematerialien ausgedehnt. "
Weitere Ansto-Co-Autoren waren Dr. Anita D'Anangelo, Dr. Bernt Johannessen, Dr. Lars Thomsen und Prof. Vanessa Peterson.
Zusammenarbeit waren die University of Adelaide , die University of Surrey (UK) und das Industrial Technology Research Institute (Taiwan).
Dr. Liang, der derzeit eine Position an der University of Adelaide hat, erhielt vom Australian Institute of Nuclear Science and Enginein G (AINSE) einen Postgraduiertenforschungspreis.
Schlüsselpunkte
- Die Einführung neuer molekularer Orbitalwechselwirkung verbesserte die strukturelle Stabilität eines vielversprechenden Kathodenmaterials für Lithium-Ionen-Batterien
- Das Dotieren mit Germanium zeigte eine überlegene strukturelle Stabilität sowie eine verringerte Batteriespannungspolarisation, eine verbesserte Energiedichte und Hochspannungsausgang im Material
- Ein internationales Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Instituts für supraleitende und elektronische Materialien an der Universität von Wollongong verwendete mehrere Techniken am australischen Synchrotron von Ansto und im australischen Zentrum für Neutronenstreuung, um molekulare Orbitalwechselwirkungen aufzuklären
