Die Röntgenstudie fasst die Rolle des Batteriematerials von der Kathode zum Katalysator neu zusammen

Abbildung einer Li-CO2-Batterie mit Li2MnO3 als wirksamem Katalysator. Bildnachweis: Berkeley Lab

Ein internationales Team des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums nutzte ein einzigartiges Röntgeninstrument, um neue Erkenntnisse über lithiumreiche Batteriematerialien zu gewinnen, die Gegenstand zahlreicher Untersuchungen hinsichtlich ihres Potenzials zur Erweiterung der Reichweite waren von Elektrofahrzeugen und den Betrieb von elektronischen Geräten.

Die Forscher konzentrierten ihre Untersuchungen auf ein Material namens Lithiummanganoxid (Li2MnO3), das extreme Beispiel für sogenannte “lithiumreiche” Materialien, die die größtmögliche Menge an Lithium innerhalb dieser Materialfamilie enthalten. Ein kürzlich entwickelter Grundsatz der Batteriegemeinschaft ist, dass Batterieelektroden aus lithiumreichen Materialien einen Hochspannungsbetrieb mit hoher Kapazität bieten könnten, da der Sauerstoff im Material an reversiblen chemischen “Redox” -Reaktionen beteiligt ist, bei denen Sauerstoffatome zyklisch verlieren und Gewinnen Sie Elektronen, damit die Batterie eine höhere Kapazität zum Speichern und Verwenden elektrischer Ladung hat.

Diese Arbeit zeigte jedoch, dass die reversiblen Reaktionen tatsächlich keinen Sauerstoff in Li beinhalten2MnO3 während des Batteriebetriebs. Stattdessen ergab eine weitere Analyse des anderen Elements im Material, Mangan, dass der Grund, warum das Material zyklisiert werden könnte, in einer ungewöhnlichen und vollständigen Umstellung auf Reaktionen auf Manganbasis mit einer relativ geringen Kapazität unmittelbar nach dem ersten Laden liegt. Der Befund ebnet den Weg für die Erforschung hochenergetischer Elektrodenmaterialien außerhalb der lithiumreichen Familie.

Darüber hinaus war das Forscherteam besonders überrascht, eine “teilweise reversible” Bildung und ein Verschwinden von Carbonatverbindungen auf der Oberfläche des Materials zu beobachten. Diese hochreaktiven Oberflächeneigenschaften legen nahe, dass das Material als Katalysator fungieren und die reversiblen chemischen Reaktionen erleichtern kann, die für exotische Batterien der nächsten Generation wie Lithium-Luft- und Lithium-Kohlendioxid-Batterien erforderlich sind. Die auf der Oberfläche von Li beobachteten Carbonatverbindungen2MnO3 enthalten Kohlenstoff, der an Sauerstoffatome gebunden ist, was bedeutet, dass lithiumreiche Materialien wirksame Katalysatoren für Reaktionen mit Kohlendioxidgas sein könnten.

“Was wir alle als aufregend empfinden, ist, dass wir durch eine grundlegende spektroskopische Untersuchung dieses Materials nicht nur den Reaktionsmechanismus dieses lange diskutierten Materials geklärt haben, sondern auch eine konzeptionell andere Verwendung als Katalysator gefunden haben”, sagte Wanli Yang , ein leitender Wissenschaftler an der Advanced Light Source (ALS) von Berkeley Lab, der eine Technik namens resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) für diese Art von Batteriestudie adaptierte. Er war auch Co-Autor der Studie und arbeitete im Rahmen einer großen internationalen Zusammenarbeit. Die Studie wurde am 4. März in der Zeitschrift veröffentlicht Joule.

Die Röntgenstudie fasst die Rolle des Batteriematerials von der Kathode zum Katalysator neu zusammen

Wanli Yang, ein leitender Wissenschaftler in der Advanced Light Source von Berkeley Lab, arbeitet an einem resonanten inelastischen Röntgenstreuungssystem (RIXS). Yang hat die RIXS-Technik für eine kürzlich durchgeführte Joule-Studie zu lithiumreichen Batteriematerialien angepasst. Bildnachweis: Berkeley Lab

“Einige Ergebnisse zeigten, dass dieses Material aufgrund seiner hochreaktiven Oberfläche tatsächlich besser als Katalysator geeignet ist. Unsere Mitarbeiter für Batteriematerial haben es daher als Katalysator getestet und festgestellt, dass es tatsächlich eine überlegene Leistung für Lithium-Kohlendioxid- und Lithium-Luft-Batterien aufweist.” er fügte hinzu.

Die Forscher stellten in der Studie fest, dass der Carbonatkreislauf mit hoher Kapazität auf dem Li basiert2MnO3Der Katalysator weist im Vergleich zu ähnlichen Systemen mit typischen Katalysatoren auf Oxidbasis eine überlegene Reversibilität auf. Die Ergebnisse öffnen auch die Tür für eine ganze Klasse alkalireicher Materialien, die als Katalysatoren für andere Anwendungen wie Brennstoffzellen verwendet werden können.

Der Schlüssel zur Studie war eine spezialisierte Strahllinie am ALS, die im Wesentlichen chemische Reaktionen Element für Element zerlegen kann, um herauszufinden, welche an Reaktionen beteiligt sind oder nicht. Das ALS ist ein Synchrotron, das Licht in einer Reihe von “Farben” oder Wellenlängen vom Infrarot bis zur Röntgenstrahlung erzeugen kann.

Die Forscher verwendeten RIXS, um die Chemie der Proben in verschiedenen Stadien des Lade- / Entladezyklus abzubilden. Sie fanden keine Hinweise auf die reversiblen Sauerstoff-Redox-Reaktionen, die viele Wissenschaftler für dieses Material erwarten. Stattdessen stellten sie fest, dass Sauerstoff nur an einer Einweg-Oxidationsreaktion und an sehr aktiven Oberflächenreaktionen beteiligt ist.

Yang bemerkte, dass die Studie mehrere populäre Modelle zum Verständnis der Sauerstoff-Redox-Aktivitäten in Batterieelektroden auf den Kopf stellt, eröffnet jedoch neue Überlegungen zu den Arten von kostengünstigen Materialien, die Sauerstoff-Redox-Reaktionen nutzen können, da die Forscher das Verhalten der Sauerstoff-Redox-Reaktion fanden bei lithiumreichen Elektroden ist es tatsächlich dasselbe wie bei herkömmlichen Elektroden, die heute verwendet werden. Die Nutzung der Sauerstoff-Redox-Reaktion könnte möglicherweise Batterien mit Hochspannungs- und Hochleistungsleistung ermöglichen.


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Mehr Informationen:
Zengqing Zhuo et al., Fahrradmechanismus von Li2MnO3: Li-CO2 Batterien und Gemeinsamkeiten bei Sauerstoff-Redox in Kathodenmaterialien, Joule (2021). DOI: 10.1016 / j.joule.2021.02.004

Journalinformationen:
Joule

Bereitgestellt vom Lawrence Berkeley National Laboratory

Zitat: Röntgenstudie über die Rolle des Batteriematerials von der Kathode zum Katalysator (2021, 9. April), abgerufen am 9. April 2021 von https://techxplore.com/news/2021-04-x-ray-recasts-role-battery-material .html

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