Cambridge team discovers material with potential for faster charging batteries / Il gruppo di Cambridge scopre il materiale potenzialmente in grado di ricaricare più velocemente le batterie
Niobium tungsten oxide allows lithium ion transport “several orders of magnitude” faster than conventional electrode materials
Researchers at Cambridge University have identified a group of materials that could be used to make batteries with higher power.
The team from the university’s Department of Chemistry looked at niobium tungsten oxide as part of the search for materials with high rate battery performance: that is, capable of charging faster and delivering higher power output.
Niobium tungsten oxide has a complex atomic arrangement, which according to postdoctoral researcher Kent Griffith, might explain why it has so far been neglected in battery studies. However, the team has found that this unusual structure allows lithium ions to pass through it much faster than conventional materials used in battery electrodes, such as graphite.
In typical batteries, electrons are extracted from the positive electrode during the charge cycle. They then move through its crystal structure and the battery electrolyte to be stored in the negative electrode. The faster this happens, the faster the battery charges. One way that researchers try to speed this process up is to make electrodes from nanoparticles, because this should reduce the distance the ions have to travel. But this has drawbacks: nanoparticle electrodes tend to encourage unwanted chemical reactions in the electrolyte, reducing the battery lifetime, Griffith said. Moreover, as team leader Prof Clare Grey explained, nanoparticles tend to be difficult to make and to pack together efficiently.
Niobium tungsten oxide is not a nanoparticle material. It has a fundamentally different crystal structure from many battery materials, Griffith explained. The structure is held open by “pillars” of oxygen. “The oxygen pillars, or shear planes, make these materials more rigid than other battery compounds, so that, plus their open structures means that more lithium ions can move through them, and far more quickly,” he said.
The method Grey’s team used to analyse the material performance was also unusual: pulsed field gradient NMR uses short, timed pulses of magnetic field specific coherences, or waves with the same phase difference, frequency and waveform as they propagate through a material. This technique allowed the team to measure the movement of lithium ions through the oxides, revealing that they moved at several orders of magnitude faster than the typical electrode materials.
In a paper in Nature, Grey, Griffith and their colleagues explain that graphite has particular drawback. Although it has a high energy density, in fast charge cycles spindly fibres of metallic lithium known as dendrites form on its surface, and can create short circuits that sometimes lead to fires and explosions.
“In high-rate applications, safety is a bigger concern than under any other operating circumstances,” said Grey. “These materials, and potentially others like them, would definitely be worth looking at for fast-charging applications where you need a safer alternative to graphite.”
Another advantage is that niobium tungsten oxides are relatively easy to make, Griffith said. “A lot of the nanoparticle structures take multiple steps to synthesise, and you only end up with a tiny amount of material, so scalability is a real issue,” said Griffith. “But these oxides are so easy to make, and don’t require additional chemicals or solvents.”
A potential drawback is that the cell voltage is lower than with some electrode materials, but the usable energy density remains high. “Fields stagnate if you don’t keep looking for new compounds,” Grey commented. “These interesting materials give us a good insight into how we might design higher rate electrode materials.”
ITALIANO
L'ossido di tungsteno di niobio consente il trasporto di ioni di litio "di diversi ordini di grandezza" più velocemente rispetto ai materiali per elettrodi convenzionali
I ricercatori dell'Università di Cambridge hanno identificato un gruppo di materiali che potrebbero essere utilizzati per produrre batterie con maggiore potenza.
Il gruppo del Dipartimento di Chimica dell'università ha esaminato l'ossido di tungsteno di niobio come parte della ricerca di materiali con prestazioni della batteria ad alto tasso: cioè, in grado di caricarsi più velocemente e fornire una maggiore potenza.
L'ossido di tungsteno di niobio ha una complessa disposizione atomica, che secondo il ricercatore post-dottorato Kent Griffith potrebbe spiegare perché è stato finora trascurato negli studi sulle batterie. Tuttavia, il gruppo ha scoperto che questa insolita struttura consente agli ioni di litio di attraversarlo molto più rapidamente rispetto ai materiali convenzionali utilizzati negli elettrodi a batteria, come la grafite.
Nelle batterie tipiche, gli elettroni vengono estratti dall'elettrodo positivo durante il ciclo di carica. Quindi si muovono attraverso la sua struttura cristallina e l'elettrolita della batteria per essere immagazzinato nell'elettrodo negativo. Più velocemente questo accade, più velocemente si carica la batteria. Un modo in cui i ricercatori cercano di accelerare questo processo è quello di produrre elettrodi da nanoparticelle, perché questo dovrebbe ridurre la distanza che gli ioni devono percorrere. Ma questo ha degli svantaggi: gli elettrodi delle nanoparticelle tendono a incoraggiare reazioni chimiche indesiderate nell'elettrolito, riducendo la durata della batteria, ha detto Griffith. Inoltre, come ha spiegato il leader del gruppo, Prof Clare Gray, le nanoparticelle tendono ad essere difficili da realizzare e da assemblare in modo efficiente.
L'ossido di tungsteno di niobio non è un materiale nanoparticellare. Ha una struttura cristallina fondamentalmente diversa da molti materiali di batteria, ha spiegato Griffith. La struttura è tenuta aperta da "pilastri" di ossigeno. "I pilastri di ossigeno, o piani di taglio, rendono questi materiali più rigidi rispetto agli altri composti della batteria, in modo che, oltre alle loro strutture aperte, possano passare più ioni di litio e molto più rapidamente", ha affermato.
Anche il metodo utilizzato dal gruppo di Gray per analizzare le prestazioni del materiale era insolito: il gradiente di campo pulsato NMR utilizza impulsi temporizzati brevi di coerenze specifiche del campo magnetico o onde con la stessa differenza di fase, frequenza e forma d'onda che si propagano attraverso un materiale. Questa tecnica ha permesso al gruppo di misurare il movimento degli ioni di litio attraverso gli ossidi, rivelando che si muovevano a diversi ordini di grandezza più velocemente dei tipici materiali degli elettrodi.
In un articolo su Nature, Gray, Griffith e i loro colleghi spiegano che la grafite ha un particolare svantaggio. Sebbene abbia un'alta densità di energia, nei cicli di carica rapida si formano sulla superficie fibre sottili di litio metallico note come dendriti e possono creare cortocircuiti che a volte portano a incendi ed esplosioni.
"Nelle applicazioni ad alto tasso, la sicurezza è una preoccupazione più grande che in qualsiasi altra circostanza operativa", ha affermato Gray. "Questi materiali, e potenzialmente altri come loro, valgono sicuramente la pena di cercare applicazioni di ricarica rapida in cui è necessaria un'alternativa più sicura alla grafite".
Un altro vantaggio è che gli ossidi di tungsteno di niobio sono relativamente facili da realizzare, ha affermato Griffith. "Molte delle strutture delle nanoparticelle richiedono più passaggi per sintetizzare e si finisce solo con una piccola quantità di materiale, quindi la scalabilità è un problema reale", ha affermato Griffith. "Ma questi ossidi sono così facili da fare e non richiedono ulteriori prodotti chimici o solventi."
Un potenziale svantaggio è che la tensione della cella è inferiore rispetto a quella di alcuni materiali degli elettrodi, ma la densità di energia utilizzabile rimane elevata. "I risultati sono scardi se non continui a cercare nuovi composti", ha commentato Gray. "Questi materiali interessanti ci danno una buona idea di come possiamo progettare materiali per elettrodi a più alta velocità."
Da:
https://www.theengineer.co.uk/cambridge-university-electrode-material/?cmpid=tenews_5791036&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
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