Gaan ongeordende steenzouten zorgen voor een doorbraak in batterijen?

De afgelopen tien jaar is wanordelijk steenzout bestudeerd als een potentieel baanbrekend kathodemateriaal voor gebruik in lithium-ionbatterijen en een sleutel tot het creëren van goedkope, energierijke opslag. Een MIT-studie van een nieuwe familie van geïntegreerde steenzout-polyanionkathodes lijkt deze deur nu verder te openen.

Onder leiding van Ju Li, hoogleraar Nucleaire Techniek en hoogleraar Materiaalkunde en -techniek van Tokyo Electric Power Company, beschrijft een team onderzoekers een nieuwe klasse van gedeeltelijk ongeordende steenzoutkathoden geïntegreerd met polyanionen – genaamd ongeordende steenzout-polyanionische spinel, of DRXPS – die een hoge energiedichtheid levert bij hoge spanningen met aanzienlijk verbeterde cyclusstabiliteit.

“Er is doorgaans een afweging in kathodematerialen tussen energiedichtheid en cyclusstabiliteit … en met dit werk willen we de grenzen verleggen door nieuwe kathodechemie te ontwerpen”, zegt Yimeng Huang, eerste auteur van een artikel over het werk in Nature Energy. “Deze materiaalfamilie heeft een hoge energiedichtheid en goede cyclusstabiliteit omdat het twee belangrijke soorten kathodematerialen integreert, steenzout en polyanionische olivijn, dus het heeft de voordelen van beide.”

Goedkoop mangaan

De nieuwe materiaalfamilie bestaat voornamelijk uit mangaan, een element dat veel voorkomt op aarde en aanzienlijk goedkoper is dan elementen als nikkel en kobalt, die tegenwoordig doorgaans in kathodes worden gebruikt. “Mangaan is minstens vijf keer goedkoper dan nikkel en ongeveer 30 keer goedkoper dan kobalt”, zegt Li. “Mangaan is ook een van de sleutels tot het bereiken van hogere energiedichtheden, dus het is een enorm voordeel dat dat materiaal veel meer voorkomt op aarde.”

Zuurstofmobiliteit

De studie richt zich op een van de grootste uitdagingen voor wanordelijke steenzoutkathodes: zuurstofmobiliteit. Hoewel de materialen al lang bekend staan ​​om hun zeer hoge capaciteit — 350 milliampère-uur per gram, tegen 190 tot 200 milliampère-uur per gram voor traditionele kathodematerialen — zijn ze niet erg stabiel.

De hoge capaciteit wordt gedeeltelijk veroorzaakt door zuurstofredox, dat wordt geactiveerd wanneer de kathode wordt opgeladen tot hoge spanningen. Maar wanneer dat gebeurt, wordt zuurstof mobiel, wat leidt tot reacties met de elektrolyt en degradatie van het materiaal, waardoor het uiteindelijk nutteloos wordt na langdurige cycli.

Fosfor

Om die uitdaging te overwinnen, voegde Huang fosfor toe, dat de zuurstof op zijn plaats houdt. “De belangrijkste innovatie hier, en de theorie achter het ontwerp, is dat Yimeng precies de juiste hoeveelheid fosfor heeft toegevoegd, zogenaamde polyanionen heeft gevormd met de aangrenzende zuurstofatomen, in een kation-deficiënte steenzoutstructuur die ze kan vastpinnen”, zegt Li.

Dat vermogen om batterijen op te laden tot hogere spanningen, is volgens Li cruciaal. “Hoe hoger de spanning per cel, hoe minder je ze in serie hoeft te schakelen in het batterijpakket en hoe eenvoudiger het batterijbeheersysteem.”