Lithiumlanthaantitanaatdeeltjes maken hoge vermogensdichtheden mogelijk, zelfs in micrometergroottes - publicatie in Nature Communications
Oorspronkelijk gepubliceerd op het Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Jilin University in Changchun/China onderzochten een veelbelovend anodemateriaal voor toekomstige hoogwaardige batterijen:lithiumlanthaantitanaat met een perovskiet-kristalstructuur (LLTO). Zoals het team meldde in het tijdschrift Nature Communications, kan LLTO de energiedichtheid, vermogensdichtheid, oplaadsnelheid, veiligheid en levensduur van batterijen verbeteren zonder dat de deeltjesgrootte van micro- naar nanoschaal hoeft te worden verminderd. (DOI:10.1038/s41467-020-17233-1)
De vraag naar elektrische voertuigen neemt toe, samen met een groeiende behoefte aan smart grids die zorgen voor een duurzame energievoorziening. Deze en andere mobiele en stationaire technologieën vereisen geschikte batterijen. Zoveel mogelijk energie opslaan in de kleinst mogelijke ruimte met een zo laag mogelijk gewicht – lithium-ionbatterijen (LIB) voldoen nog steeds het beste aan deze eis. Het onderzoek is gericht op het verbeteren van de energiedichtheid, vermogensdichtheid, veiligheid en levensduur van deze batterijen. Het elektrodemateriaal is hierbij van groot belang. Anodes van lithium-ionbatterijen bestaan uit een stroomafnemer en een daarop aangebracht actief materiaal dat energie opslaat in de vorm van chemische bindingen. In de meeste gevallen wordt grafiet als het actieve materiaal gebruikt. Negatieve elektroden van grafiet hebben echter een lage oplaadsnelheid. Bovendien worden ze in verband gebracht met veiligheidskwesties. Onder de alternatieve actieve materialen is lithiumtitanaatoxide (LTO) al op de markt gebracht. Negatieve elektroden met LTO hebben een hogere oplaadsnelheid en worden als veiliger beschouwd dan die van grafiet. Het nadeel is dat lithium-ionbatterijen met lithiumtitanaatoxide doorgaans een lagere energiedichtheid hebben.
Van: Lithiumlanthaantitanaatperovskiet als anode voor lithium-ionbatterijen
een schematische kristalstructuur; b Rietveld verfijning op basis van poeder XRD; c Grote HAADF-afbeeldingen van LLTO-perovskieten langs de [100] zone-as. Schaalbalk:5 nm; d HAADF-STEM-afbeelding van LLTO. Schaalbalk:2 nm; e ABF-STEM-afbeelding; f Vergroot van HAADF-STEM; g Vergroot van ABF-STEM. De groene, blauwe en rode ballen in e en g vertegenwoordigen respectievelijk de atomen van La, Ti en O.
Het team rond professor Helmut Ehrenberg, hoofd van het Institute for Applied Materials - Energy Storage Systems (IAM-ESS) van het KIT, onderzocht nu een ander veelbelovend anodemateriaal:lithiumlanthaantitanaat met een perovskiet-kristalstructuur (LLTO). Volgens de studie, die werd uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van de Jilin University in Changchun (China) en andere onderzoeksinstituten in China en Singapore, hebben LLTO-anodes een lager elektrodepotentiaal in vergelijking met gecommercialiseerde LTO-anodes, wat een hogere celspanning mogelijk maakt en een hogere capaciteit.Celspanning en opslagcapaciteit bepalen uiteindelijk de energiedichtheid van een batterij”, legt Ehrenberg uit. "In de toekomst kunnen LLTO-anoden worden gebruikt om bijzonder veilige, hoogwaardige cellen met een lange levensduur te bouwen."
De studie draagt bij aan het werk van het onderzoeksplatform voor elektrochemische opslag, CELEST (Center for Electrochemical Energy Storage Ulm &Karlsruhe), een van de grootste batterijonderzoeksplatforms ter wereld, waartoe ook het POLiS-excellentiecluster behoort.
Naast energiedichtheid, vermogensdichtheid, veiligheid en levensduur is de laadsnelheid een andere bepalende factor voor de geschiktheid van een batterij voor veeleisende toepassingen. In principe zijn de maximale ontlaadstroom en de minimale oplaadtijd afhankelijk van het ionen- en elektronentransport, zowel binnen het vaste lichaam als op de grensvlakken tussen de elektrode en elektrolytmaterialen. Om de oplaadsnelheid te verbeteren, is het gebruikelijk om de deeltjesgrootte van het elektrodemateriaal te verkleinen van micro- tot nanoschaal. De studie, die door KIT-onderzoekers en hun samenwerkingspartners werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, laat zien dat zelfs deeltjes van enkele micrometers groot in LLTO's met een perovskietstructuur een hogere vermogensdichtheid en een betere oplaadsnelheid hebben dan LTO-nanodeeltjes. Het onderzoeksteam schrijft dit toe aan de zogenaamde pseudocapaciteit van LLTO:aan dit anodemateriaal zijn niet alleen individuele elektronen bevestigd, maar ook geladen ionen, die door zwakke krachten worden gebonden en omkeerbaar ladingen naar de anode kunnen overbrengen. "Dankzij de grotere deeltjes maakt LLTO in feite eenvoudigere en kosteneffectievere productieprocessen voor elektroden mogelijk", legt Ehrenberg uit.
Originele publicatie (Open Access):
Lu Zhang, Xiaohua Zhang, Guiying Tian, Qinghua Zhang, Michael Knapp, Helmut Ehrenberg, Gang Chen, Zexiang Shen, Guochun Yang, Lin Gu &Fei Du:lithiumlanthaantitanaatperovskiet als anode voor lithiumionbatterijen. Nature Communications, 2020. DOI:10.1038/s41467-020-17233-1
Uitgelichte afbeelding:schematische weergave van de perovskiet-kristalstructuur van lithiumlanthaantitanaat. (Illustratie:Fei Du/Jilin University)
Verder materiaal:
Publicatie in Nature Communications:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17233-1
Pers met dank aan KIT Energy Center
