리튬 이온 배터리를위한 음극 재료를 안정화시키는 새로운 분자 궤도 상호 작용을 도입합니다.
Wollongong 대학교의 초전도 및 전자 재료 연구소의 과학자들이 이끄는 대규모 국제 팀은 새로운 분자 궤도 상호 작용의 도입이 리튬 이온 배터리에 대한 음극 재료의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인했습니다.
고성능 리튬 이온 배터리를위한 더 나은 음극 재료의 생산은 전기 자동차 산업의 주요 과제입니다.
Angewandte Chemie에 발표 된 연구에서 첫 번째 저자 인 Gemeng Liang 박사, Zaiping Guo 교수, A/Prof Wei Kong Pang and Associates는 Ansto 및 기타 기술에서 여러 기능을 사용하여 유명한 음극 재료 인 Spinel Lini 0.5 MN 1.5 O를 제공한다는 증거를 제공했습니다. 4 ( LNMO ), 게르마늄은 산소와 금속 양이온 사이의 4 S-2 P 궤도 상호 작용을 크게 강화시킨다.
Liang 박사.
4 S -2 P 궤도는 상대적으로 드물지만, 게르마늄이 + 3의 원자가 상태를 갖는 문헌에서 화합물을 발견하여 전자 구성 ([AR] 3 D 10 4 S 1 )가 4 S 전이를 가능하게합니다. 금속 궤도 전자는 산소 2 P 궤도에서 짝을 이루지 않은 전자와 상호 작용하여 하이브리드 4 S -2 P 궤도를 생성 할 수 있습니다.
4 S-2 P 궤도는 ANSTO 의 호주 싱크로트론 과 호주 중성자 산란 센터 및 기타 방법에서 호주 센터에서 싱크로트론 및 중성자 실험을 사용하여 결정된 바와 같이 LNMO 재료에서 구조적 안정성을 생성합니다.
이 팀은 FD3¯m Space Group 대칭을 갖는 LNMO 구조의 16 C 및 16 일 결정 학적 부위에서 도핑 된 게르마늄의 위치를 확인하기 위해 Microscopy뿐만 아니라 중성자 및 (실험실 기반) X- 선 분말 회절과 현미경을 사용했습니다.
게르마늄 도펀트의 원자가 상태가 조사하는데 중요했기 때문에, 호주 싱크로트론에서 실험실 X- 선 광전자 분광법 (XPS) 및 X- 선 흡수 분광법 (XAS) 측정이 수행되었다.
그들은 게르마늄 도펀트의 평균 원자가 상태가 +3.56 이며, 16 C 및 16D 부위는 각각 +3 및 +4임을 확인했다. 밀도 기능 이론 (DFT) 계산의 결과는이 관찰을 지원했습니다.
연구원들은 LNMO를 함유 한 배터리의 전기 화학적 성능을 평가하고 4 초 -2 P 궤도 하이브리드 화 (4S -LNMO)를 갖는 LNMO를 포함하는 것과 비교했습니다. 이러한 평가는 2% 게르마늄을 사용한 도핑이 우수한 구조적 안정성뿐만 아니라 배터리 전압 편광 감소, 에너지 밀도 향상 및 고전압 출력에 기여한다는 것을 발견했습니다.
[우리는 두 재료의 리튬 확산 동역학을 이해하고 싶었고 게르마늄이 시스템에 도입 된 후 재료의 리튬 확산이 더 빠르면서 더 빠른 전하 기능을 허용한다는 것을 발견했습니다. "라고 Liang 박사는 말했습니다.
성능 테스트 후, Liang 박사는 사이클링 동안 활성 재료의 전자 구조에 대한보다 자세한 정보를 위해 Soft X-Ray Beamline 에서 Synchrotron 기반 근거리 X- 선 흡수 분광법 (NEXAF)을 사용했습니다.
배터리의 개방 회로 전압에서의 분광 데이터는 소설 4의 성공적인 도입에 대한 4 S -2 P 궤도 하이브리드 화를 제공하는 위치에서 4S-LNMO 재료의 피크 강도가 크게 증가한 것으로 나타났습니다. S -2 P 궤도 상호 작용.
[우리는 채워지지 않은 궤도를 볼 수 있기 때문에 이들은 채워진 궤도와 뚜렷하지만 복잡한 방법으로 연결되어 있으며,이를 사용하여 양자 기계적 계산을 통해 또는 유사한 재료와 비교하여 시스템의 화학을 더 잘 특성화 할 수 있습니다. " 공동 저자 악기 과학자 Bruce Cowie 박사.
NEXAFS 데이터는 또한 재료에서 망간의 거동을 평가하는 데 유용했습니다.
[우리는 망간을 전해질에 용해시키고 구조에서 망간 +2 및 +3의 형성을 억제하는 것이 구조적 분해를 방지하는 데 도움이 될 것임을 알고 있습니다. "라고 Liang 박사는 말했습니다.
NEXAFS 결과는 4S-LNMO에서 소량의 MN3+ 및 눈에 띄는 MN2+가 없으며, 이는 재료의 구조적 안정성을 추가로 증가 시킨다는 것을 보여 주었다.
호주 싱크로트론의 분말 회절 빔 라인에 대한 오페란도 실험에서 사이클링 동안 배터리 내의 재료의 구조적 거동을 탐색했습니다. 이 데이터를 사용하여 팀은 4S-LNMO의 높은 작동 전압에서 불리한 2 상 반응의 억제를 확인했습니다.
[궤도 하이브리드 화는 배터리 연구에서 상당히 새로운 개념이지만 배터리 성능 문제를 해결하는 데 매우 유망합니다. "라고 Liang 박사는 말했습니다.
[더 나은 -이 접근법은 다른 배터리 재료로 확장 할 수 있습니다. "
다른 Ansto 공동 저자로는 Anita D`angelo 박사, Bernt Johannessen 박사, Lars Thomsen 박사 및 Vanessa Peterson 교수가 포함되었습니다.
협력 기관에는 애들레이드 대학교, 서리 대학교 ( University of Surrey ) 및 산업 기술 연구소 (대만)가 포함되었습니다.
현재 애들레이드 대학교에서 근무하고있는 Liang 박사는 호주 원자력 과학 연구소 (AINSE)로부터 대학원 연구 상을 수상했습니다.
키 포인트
- 새로운 분자 궤도 상호 작용의 도입은 리튬 이온 배터리에 대한 유망한 캐소드 재료의 구조적 안정성을 향상시켰다.
- 게르마늄을 사용한 도핑은 우수한 구조적 안정성과 배터리 전압 편광 감소, 에너지 밀도 향상 및 재료의 고전압 출력을 보여 주었다.
- Wollongong 대학교의 초전도 및 전자 재료 연구소의 과학자들이 이끄는 국제 팀은 Ansto의 Australian Synchrotron과 호주 산란 센터에서 여러 기술을 사용하여 분자 궤도 상호 작용을 설명했습니다.
