リチウムイオン電池の材料が急速充電の壁を破る(Lithium-ion battery material breaks barrier on fast charging)

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2022-09-21 オークリッジ国立研究所(ORNL)

エネルギー省のオークリッジ国立研究所とテネシー大学ノックスビル校の研究者が、リチウムイオン電池(LIB)の急速充電に必要な重要材料を発見した。この発見は、電気自動車の充電速度を向上させる道を開くもので、商業的にも意義がある。
研究チームは、高速充電が可能で高効率なモリブデン-タングステン-ニオブ酸(MWNO)という新しい化合物を発見し、商業用電池のグラファイトに取って代わる可能性があることを明らかにした。
MWNOのようなニオブ酸化物の従来の合成は、直火によるエネルギー集約的なプロセスで、有毒廃棄物も発生する。そこで研究者たちは、安全性と簡便さで定評のあるゾル-ゲル法に着目した。
研究チームは、イオン液体と金属塩の混合物を多孔質ゲルに変換し、それを熱処理して材料の最終的な特性を向上させた。また、この低エネルギー戦略により、MWNOの鋳型として使用したイオン液体溶媒を回収・再利用することが可能になった。

<関連情報>

高性能リチウムイオン電池用新規負極材Mo1.5W1.5Nb14O44の高速充放電特性に関する知見 Insight into the Fast-Rechargeability of a Novel Mo1.5W1.5Nb14O44 Anode Material for High-Performance Lithium-Ion Batteries

Runming Tao,Tianyu Zhang,Susheng Tan,Charl J. Jafta,Cheng Li,Jiyuan Liang,Xiao-Guang Sun,Tao Wang,Juntian Fan,Ziyang Lu,Craig A. Bridges,Xian Suo,Chi-Linh Do-Thanh,Sheng Dai
Advanced Energy Materials  Published: 22 July 2022
DOI:https://doi.org/10.1002/aenm.202200519

Abstract

Wadsley–Roth phased niobates are promising anode materials for lithium-ion batteries, while their inherently low electrical conductivity still limits their rate-capability. Herein, a novel doped Mo1.5W1.5Nb14O44 (MWNO) material is facilely prepared via an ionothermal-synthesis-assisted doping strategy. The detailed crystal structure of MWNO is characterized by neutron powder diffraction and aberration corrected scanning transmission electron microscope, unveiling the full occupation of Mo6+-dopant at the t1 tetrahedral site. In half-cells, MWNO exhibits enhanced fast-rechargeability. The origin of the improved performance is investigated by ultraviolet–visible diffuse reflectance spectroscopy, density functional theory (DFT) computation, and electrochemical impedance spectroscopy, revealing that bandgap narrowing improves the electrical conductivity of MWNO. Furthermore, operando X-ray diffraction elucidates that MWNO exhibits a typical solid-solution phase conversion-based lithium-ion insertion/extraction mechanism with reversible structural evolution during the electrochemical reaction. The boosted lithium-ion diffusivity of MWNO, due to the Mo6+/W6+ doping effect, is confirmed by a galvanostatic intermittent titration technique and DFT. With the simultaneously enhanced electrical conductivity and lithium-ion diffusivity, MWNO successfully demonstrates its fast-rechargeability and practicality in the LiNi0.5Mn1.5O4-coupled full-cells. Therefore, this work illustrates the potential of ionothermal synthesis in energy storage materials and provides a mechanistic understanding of the doping effect on improving material’s electrochemical performance.

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