Partiklar av litiumlantan titanat möjliggör höga effektdensiteter även i mikrometerstorlekar – publicering i Nature Communications
Ursprungligen publicerad på Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och Jilin University i Changchun/Kina undersökte ett mycket lovande anodmaterial för framtida högpresterande batterier – litiumlantantitanat med en perovskitkristallstruktur (LLTO). Som teamet rapporterade i Nature Communications-tidskriften kan LLTO förbättra energitätheten, effekttätheten, laddningshastigheten, säkerheten och livslängden för batterier utan att kräva en minskning av partikelstorleken från mikro- till nanoskala. (DOI:10.1038/s41467-020-17233-1)
Efterfrågan på elfordon ökar, tillsammans med ett växande behov av smarta nät som säkerställer en hållbar energiförsörjning. Dessa och andra mobila och stationära teknologier kräver lämpliga batterier. Att lagra så mycket energi som möjligt på minsta möjliga utrymme med lägsta möjliga vikt – litiumjonbatterier (LIB) uppfyller fortfarande detta krav bäst. Forskningen syftar till att förbättra energitätheten, effekttätheten, säkerheten och livslängden för dessa batterier. Elektrodmaterialet är här av stor betydelse. Anoder av litiumjonbatterier består av en strömavtagare och ett aktivt material som appliceras på den som lagrar energi i form av kemiska bindningar. I de flesta fall används grafit som det aktiva materialet. Negativa elektroder gjorda av grafit har dock en låg laddningshastighet. Dessutom är de förknippade med säkerhetsfrågor. Bland de alternativa aktiva materialen har litiumtitanatoxid (LTO) redan kommersialiserats. Negativa elektroder med LTO har en högre laddningshastighet och anses vara säkrare än de som är gjorda av grafit. Nackdelen är att litiumjonbatterier med litiumtitanatoxid tenderar att ha en lägre energitäthet.
Från: Lithium lantan titanate perovskite som anod för litiumjonbatterier
en schematisk kristallstruktur; b Rietveld-förfining baserad på pulver XRD; c Stora HAADF-bilder av LLTO-perovskiter längs zonaxeln [100]. Skalstång:5 nm; d HAADF-STEM-bild av LLTO. Skalstapel:2 nm; e ABF-STEM-bild; f Förstorad av HAADF-STEM; g Förstorad av ABF-STEM. De gröna, blå och röda kulorna i e och g representerar atomerna i La, Ti respektive O.
Teamet runt professor Helmut Ehrenberg, chef för Institute for Applied Materials – Energy Storage Systems (IAM-ESS) vid KIT, undersökte nu ett annat mycket lovande anodmaterial:litiumlantantitanat med en perovskitkristallstruktur (LLTO). Enligt studien, som genomfördes i samarbete med forskare från Jilin University i Changchun (Kina) och andra forskningsinstitut i Kina och Singapore, har LLTO-anoder en lägre elektrodpotential jämfört med kommersialiserade LTO-anoder, vilket möjliggör en högre cellspänning och en högre kapacitet.Cellspänning och lagringskapacitet avgör i slutändan energitätheten för ett batteri”, förklarar Ehrenberg. "I framtiden kan LLTO-anoder användas för att bygga särskilt säkra högpresterande celler med lång livslängd."
Studien bidrar till arbetet inom forskningsplattformen för elektrokemisk lagring, CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe), en av de största batteriforskningsplattformarna världen över, som även inkluderar klustret POLiS excellence.
Förutom energitäthet, effekttäthet, säkerhet och livslängd är laddningshastigheten ytterligare en avgörande faktor för ett batteris lämplighet för krävande applikationer. I princip beror den maximala urladdningsströmmen och den minsta laddningstiden på jon- och elektrontransporten både inom den fasta kroppen och vid gränsytan mellan elektroden och elektrolytmaterialen. För att förbättra laddningshastigheten är det vanligt att minska partikelstorleken på elektrodmaterialet från mikro- till nanoskala. Studien, som publicerades i tidskriften Nature Communications av KIT-forskare och deras samarbetspartners, visar att även partiklar på några mikrometer i storlek i LLTO:er med perovskitstruktur har en högre effekttäthet och en bättre laddningshastighet än LTO-nanopartiklar. Forskargruppen tillskriver detta den så kallade pseudokapacitansen hos LLTO:Inte bara är enskilda elektroner fästa till detta anodmaterial, utan även laddade joner, som är bundna av svaga krafter och kan reversibelt överföra laddningar till anoden. "Tack vare de större partiklarna möjliggör LLTO i princip enklare och mer kostnadseffektiva elektrodtillverkningsprocesser", förklarar Ehrenberg.
Originalpublikation (Open Access):
Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian, Qinghua Zhang, Michael Knapp, Helmut Ehrenberg, Gang Chen, Zexiang Shen, Guochun Yang, Lin Gu &Fei Du:Litiumlantantitanatperovskit som anod för litiumjonbatterier. Nature Communications, 2020. DOI:10.1038/s41467-020-17233-1
Utvald bild:Schematisk representation av perovskitkristallstrukturen hos litiumlantantitanat. (Illustration:Fei Du/Jilin University)
Ytterligare material:
Publicering i Nature Communications:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1
Press med tillstånd från KIT Energy Center
