Částice titaničitanu lithného a lanthanitého umožňují vysoké hustoty výkonu i v mikrometrových velikostech – publikace v Nature Communications

Původně publikováno na Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

Výzkumníci z Karlsruhe Institute of Technology (KIT) a Jilin University v Changchun/Čína zkoumali vysoce slibný anodový materiál pro budoucí vysoce výkonné baterie – lithium lanthanititanát s krystalovou strukturou perovskitu (LLTO). Jak tým uvedl v časopise Nature Communications, LLTO může zlepšit hustotu energie, hustotu výkonu, rychlost nabíjení, bezpečnost a životnost baterií, aniž by bylo nutné zmenšit velikost částic z mikro na nanoměřítko. (DOI:10.1038/s41467-020-17233-1)

Poptávka po elektrických vozidlech roste a je doprovázena rostoucí potřebou inteligentních sítí, které zajišťují udržitelné dodávky energie. Tyto a další mobilní a stacionární technologie vyžadují vhodné baterie. Uskladnění co největšího množství energie na co nejmenším prostoru s co nejnižší hmotností – tento požadavek stále nejlépe splňují lithium-iontové baterie (LIB). Cílem výzkumu je zlepšit hustotu energie, hustotu výkonu, bezpečnost a životnost těchto baterií. Materiál elektrody je zde velmi důležitý. Anody lithium-iontových baterií se skládají ze sběrače proudu a na něj naneseného aktivního materiálu, který ukládá energii ve formě chemických vazeb. Ve většině případů se jako aktivní materiál používá grafit. Záporné elektrody vyrobené z grafitu však mají nízkou rychlost nabíjení. Navíc jsou spojeny s bezpečnostními problémy. Mezi alternativními aktivními materiály již byl komercializován oxid titaničitý lithný (LTO). Negativní elektrody s LTO vykazují vyšší rychlost nabíjení a jsou považovány za bezpečnější než elektrody vyrobené z grafitu. Nevýhodou je, že lithium-iontové baterie s oxidem titaničitým mají nižší hustotu energie.

Níže:Obr. 1:Strukturální vlastnosti takto připraveného LLTO.

Od: Lithium lanthanium titanát perovskit jako anoda pro lithium-iontové baterie

schematickou krystalovou strukturu; b Rietveldova rafinace na bázi práškové XRD; c Velkoplošné snímky HAADF perovskitů LLTO podél osy zóny [100]. Měřítko:5 nm; d Obrázek LLTO HAADF-STEM. Měřítko:2 nm; e obrázek ABF-STEM; f Zvětšeno HAADF-STEM; g Zvětšeno ABF-STEM. Zelené, modré a červené kuličky v e a g představují atomy La, Ti a O.

Tým kolem profesora Helmuta Ehrenberga, vedoucího Institutu pro aplikované materiály – systémy ukládání energie (IAM-ESS) ze KIT, nyní zkoumal další vysoce slibný anodový materiál:lithium lanthanititanát s krystalovou strukturou perovskitu (LLTO). Podle studie, která byla provedena ve spolupráci s vědci z Jilin University v Changchun (Čína) a dalšími výzkumnými ústavy v Číně a Singapuru, mají LLTO anody nižší elektrodový potenciál ve srovnání s komerčně dostupnými LTO anodami, což umožňuje vyšší napětí článku. a vyšší kapacitu.

Napětí článků a skladovací kapacita nakonec určují hustotu energie baterie,“ vysvětluje Ehrenberg. „V budoucnu by mohly být anody LLTO použity k výrobě zvláště bezpečných vysoce výkonných článků s dlouhou životností.“

Studie přispívá k práci výzkumné platformy pro elektrochemické skladování CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe), jedné z největších platforem pro výzkum baterií na světě, která také zahrnuje klastr excelence POLIS.

Kromě hustoty energie, hustoty výkonu, bezpečnosti a životnosti cyklu je rychlost nabíjení dalším určujícím faktorem pro vhodnost baterie pro náročné aplikace. V zásadě maximální vybíjecí proud a minimální doba nabíjení závisí na transportu iontů a elektronů jak v pevném tělese, tak na rozhraní mezi elektrodou a materiály elektrolytu. Pro zlepšení rychlosti nabíjení je běžnou praxí zmenšit velikost částic materiálu elektrody z mikro na nanoměřítko. Studie, kterou výzkumníci KIT a jejich spolupracující partneři zveřejnili v časopise Nature Communications, ukazuje, že i částice o velikosti několika mikrometrů v LLTO s perovskitovou strukturou mají vyšší hustotu výkonu a lepší rychlost nabíjení než nanočástice LTO. Výzkumný tým to připisuje tzv. pseudokapacitanci LLTO:Na tento materiál anody jsou navázány nejen jednotlivé elektrony, ale také nabité ionty, které jsou vázány slabými silami a mohou reverzibilně přenášet náboje na anodu. „Díky větším částicím umožňuje LLTO v podstatě jednodušší a nákladově efektivnější výrobní procesy elektrod,“ vysvětluje Ehrenberg.

Původní publikace (otevřený přístup):

Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian, ​​Qinghua Zhang, Michael Knapp, Helmut Ehrenberg, Gang Chen, Zexiang Shen, Guochun Yang, Lin Gu &Fei Du:Lithium lanthanium titanát perovskit jako anoda pro lithium-iontové baterie. Nature Communications, 2020. DOI:10.1038/s41467-020-17233-1

Vybraný obrázek:Schematické znázornění perovskitové krystalické struktury titaničitanu lithného a lanthanitého. (Ilustrace:Univerzita Fei Du/Jilin)

Další materiál:

Publikace v Nature Communications:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1

S laskavým svolením pro tisk KIT Energy Center