Upptäckter på atomnivå kan ge oss bättre litiumbatterier
Med hjälp av röntgenspektroskopi går det att följa hur varje atomslag beter sig när man håller på att ladda upp ett batteri. Materialforskare vid Uppsala universitet har nu gjort upptäckter som ökar förståelsen av energilagring i litiumbatterier. Det här kommer att gynna designen av nya material för framtida batterier med betydligt högre lagringskapacitet än tidigare.
– Vi upptäckte för första gången att syre i elektroderna betedde sig på ett oväntat sätt. Vanligtvis tar syre upp två elektroner så fort den kan. I det här materialet lämnade den ifrån sig en av dem igen, och det ger den högre kapaciteten som man har sett i uppladdningsprocessen, säger Laurent Duda, universitetslektor i fysik vid Uppsala universitet.
Röntgenspektroskopi har krävts
Tillsammans med forskare från flera olika forskningsområden vid University of Oxford och University of Kent i England och från USA, har Uppsalaforskarna undersökt speciella typer av Li-jonbatterimaterial. Studierna har genomförts på synkrotronljusanläggningen Advanced Light Source, ALS.
Avancerad röntgenspektroskopi har krävts för att förstå hur materialen fungerar – en metod som forskare vid Uppsala universitet under de senaste 25 åren har varit med och utvecklat från grunden.
Li-jonbatterier är välkända som energilager som finns i nästan all portabel elektronik, som mobiltelefoner, datorer och hushållsapparater. Utvecklingen av batterierna är inriktad på att få fram kraftfullare batterier med högre kapacitet och effekt. Det finns många olika material som kan användas för just litiumbatterier, och alla har olika typer av fördelaktiga egenskaper.
Variant av Li-rikt material
– Det är framförallt oxidmaterial med en kombination av metaller som nickel, kobolt och mangan som har visat sig vara de mest lovande lagringselektroder för hög energi i litiumbatterier. Men vissa kombinationer av metallerna ger oväntat hög lagringskapacitet och orsaken till det har länge varit omstritt, säger Kristina Edström, professor i kemi vid Uppsala universitet.
Tidigare har forskare trott att den extra lagringskapaciteten bara berodde på oönskade sidoeffekter som ger syrgasutveckling i elektrolytet när man laddar litiumbatteriet till sin gräns. En annan tänkbar förklaring har varit att det bildats så kallade peroxider som bryter ner elektrodmaterialet.
I den nya studien har forskare med hjälp av avancerad röntgenspektroskopi, undersökt en variant av ett så kallat Li-rikt material, nämligen Li1.2[Ni0.132+Co0.133+Mn0.544+]O2.
Skräddarsydda materialkombinationer
Många metoder ger summarisk information om batterimaterial men med röntgenspektroskopi går det att följa hur varje atomslag beter sig när man håller på att ladda upp ett batteri.
Enligt studien händer det här bara för vissa syreatomer i materialet, nämligen för syre i närheten av mangan och litium, där de bildar en “lokaliserad ö” tills batteriet laddas ur igen.
– I och med den här upptäckten kan man nu rikta forskningen åt att skräddarsy materialkombinationer med lämpligt stort manganinnehåll, säger Laurent Duda.
Artikel i Nature: Charge-compensation in 3d-transition-metaloxide intercalation cathodes through the generation of localized electron holes on oxygen; Kun Luo, Matthew R. Roberts, Rong Hao, Niccoló Guerrini, David M. Pickup, Yi-Sheng Liu, Kristina Edström, Jinghua Guo, Alan V. Chadwick, Laurent C. Duda and Peter G. Bruce, doi:10.1038/nchem.2471
Kontakt: Laurent Duda, universitetslektor i fysik, 018-471 35 12, eller laurent.duda@physics.uu.se. Kristina Edström, professor i kemi, 018-471 37 13, eller kristina.edstrom@kemi.uu.se
