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La prevenzione del rilascio di ossigeno porta a batterie agli ioni di litio ad alta densità di energia più sicure

2021-10-22



Il rilascio di ossigeno dai materiali della batteria può causare instabilità termica. Credito: Takashi Nakamura

 

Un gruppo di ricerca ha prodotto nuove conoscenze sul rilascio di ossigeno nelle batterie agli ioni di litio, aprendo la strada a batterie ad alta densità di energia più robuste e più sicure.

 

Le batterie di nuova generazione che immagazzinano più energia sono fondamentali se la società vuole raggiungere gli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite e realizzare la neutralità del carbonio. Tuttavia, maggiore è la densità di energia, maggiore è la probabilità di fuga termica, il surriscaldamento delle batterie che a volte può provocare l'esplosione di una batteria.

 

L'ossigeno rilasciato dal materiale attivo catodico è un fattore scatenante per la fuga termica, ma la nostra conoscenza di questo processo è insufficiente.

 

I ricercatori dell'Università di Tohoku e del Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) hanno studiato il comportamento del rilascio di ossigeno e i relativi cambiamenti strutturali del materiale del catodo per le batterie agli ioni di litio LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM111). NCM111 ha agito come materiale per batterie modello a base di ossido attraverso la titolazione coulometrica e le diffrazioni dei raggi X.

 

I ricercatori hanno scoperto che NCM111 accetta il 5% in moli di rilascio di ossigeno senza decomporsi e che il rilascio di ossigeno ha indotto un disordine strutturale, lo scambio di Li e Ni.

 

Quando l'ossigeno viene rilasciato, riduce i metalli di transizione (Ni, Co e Mn in NCM111), diminuendo la loro capacità di mantenere una carica equilibrata nei materiali.

 

Per valutare questo, il gruppo di ricerca ha utilizzato la spettroscopia di assorbimento di raggi X morbidi presso BL27SU SPring-8 â una struttura di radiazione di sincrotrone su larga scala gestita da JASRI in Giappone.

 

Hanno osservato una riduzione selettiva di Ni3+ in NCM111 nella fase iniziale del rilascio di ossigeno. Al termine della riduzione del Ni, Co3+ è diminuito, mentre Mn4+ è rimasto invariato durante il 5% in moli di rilascio di ossigeno.

 

"I comportamenti di riduzione suggeriscono fortemente che l'NI ad alta valenza (Ni3+) migliora significativamente il rilascio di ossigeno", ha affermato Takashi Nakamura, coautore dell'articolo.

 

Per verificare questa ipotesi, Nakamura ei suoi colleghi hanno preparato NCM111 modificato contenente più Ni3+ rispetto all'NCM111 originale. Con loro sorpresa, hanno scoperto che l'NCM111 mostrava un rilascio di ossigeno molto più grave del previsto.

 

Sulla base di ciò, il gruppo di ricerca ha proposto che i metalli di transizione ad alto valente destabilizzino l'ossigeno reticolare nei materiali delle batterie a base di ossido.

 

"I nostri risultati contribuiranno all'ulteriore sviluppo di batterie ad alta densità di energia e robuste di nuova generazione composte da ossidi di metalli di transizione", ha affermato Nakamura.

 

Riferimento: "Instabilità dell'ossigeno a reticolo nei catodi di intercalazione a base di ossido: un caso di studio di LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 stratificato" di Xueyan Hou, Kento Ohta, Yuta Kimura, Yusuke Tamenori, Kazuki Tsuruta, Koji Amezawa e Takashi Nakamura , 23 giugno 2021, Materiali energetici avanzati.
DOI: 10.1002/aenm.202101005

 

Finanziamento: Grant-in-Aid for Scientific Research (JP18K05288?JP19H05814) Programma di ricerca per il laboratorio CORE di "Dynamic Alliance for Open Innovation Bridging Human, Environmentand Materials" in "Network Joint Research Center for Materials and Devices". ½