Ny elektrolyt standser hurtig nedgang i ydeevnen af ​​næste generations lithiumbatteri

Argonnes nye elektrolytblanding stabiliserer siliciumanoder under cykling.

Lithium-ion-batteriet er allestedsnærværende. På grund af dens alsidighed, dette batteri kan skræddersyes til at drive mobiltelefoner, bærbare computere, elværktøj eller elektriske køretøjer. Det er nu kilden til en multimilliard-dollar virksomhed årligt, der fortsætter med at vokse hvert år.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory har udviklet en ny elektrolytblanding og et simpelt tilsætningsstof, der kunne få en plads i den næste generation af lithium-ion-batterier.

I mange årtier, forskere har ihærdigt ledt efter nye elektrodematerialer og elektrolytter, der kan producere en ny generation af lithium-ion-batterier, der tilbyder meget større energilagring, mens de holder længere, koster mindre og er mere sikker. Denne nye generation vil sandsynligvis gøre elektriske køretøjer mere udbredte og accelerere elnettets ekspansion til vedvarende energi gennem billigere og mere pålidelig energilagring.

For forskere, der udvikler avancerede lithium-ion-batterier, siliciumanoden har været den fremtrædende kandidat til at erstatte den nuværende grafitanode. Silicium har en betydelig teoretisk energilagringskapacitetsfordel i forhold til grafit, at kunne lagre næsten ti gange så meget lithium som grafit. At øge siliciums attraktivitet kommercielt er dets lave omkostninger. Det er det andet mest udbredte materiale i jordskorpen, og dens udbredelse inden for computer- og telekommunikationshardware betyder, at der findes betydelige behandlingsteknologier.

"Men en anstødssten er tilbage, " bemærkede Jack Vaughey, en senior kemiker i Argonnes Chemical Sciences and Engineering (CSE) division. "På cykling, en silicium-baseret anode i en lithium-ion-celle bliver meget reaktiv med elektrolytten, og denne proces nedbryder cellen over tid, forårsager en forkortet cykluslevetid."

Lithium-ion batterielektrolytter indeholder i øjeblikket en opløsningsmiddelblanding, med et opløst lithiumsalt og mindst én, ofte mere end tre organiske tilsætningsstoffer. Argonne-forskere har udviklet en unik elektrolytadditivstrategi - en lille mængde af et andet salt, der indeholder en af ​​flere dobbelt- eller tredobbelt ladede metalkationer (Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Zn ²⁺ , mundtlig ³⁺ ). Disse forbedrede elektrolytblandinger, samlet kaldet "MESA" (som står for blandede salt-elektrolytter til siliciumanoder), give siliciumanoder øget overflade- og bulkstabilitet, forbedre langsigtet cykling og kalenderliv.

"Vi har grundigt testet MESA-formuleringer med fulde celler fremstillet med standard kommercielt relevante elektroder, " sagde Baris Key, en kemiker i CSE divisionen. "Den nye kemi er enkel, skalerbar og fuldt ud kompatibel med eksisterende batteriteknologi."

"I dette projekt vi havde stor gavn af Argonnes celleanalyse, Modeling and Prototyping (CAMP) facilitet, " tilføjede Vaughey. "Det var der, vi testede vores MESA -formuleringer."

Argonne-forskerne undersøgte også, hvordan de MESA-holdige elektrolytter virker. Under opladning, metalkationtilsætningerne i elektrolytopløsning migrerer ind i den siliciumbaserede anode sammen med lithiumionerne for at danne lithium-metal-siliciumfaser, som er mere stabile end lithium-silicium. Denne nye cellekemi reducerer i høj grad de skadelige sidereaktioner mellem siliciumanoden og elektrolytten, der havde plaget cellerne med den traditionelle elektrolyt. Af de fire metalsalte, der blev testet i celler, de tilsatte elektrolytsalte med enten magnesium (Mg ²⁺ ) eller calcium (Ca ²⁺ ) kationer viste sig at fungere bedst over hundredvis af opladnings-afladningscyklusser. Energitæthederne opnået med disse celler oversteg dem for sammenlignelige celler med grafitkemi med op til 50 %.

"Baseret på disse testresultater, " sagde Key, "Vi har al mulig grund til at tro, at hvis siliciumanoder nogensinde erstatter grafit eller udgør anoden i mere end et par procents koncentration, denne opfindelse vil være en del af det og kan have vidtrækkende indvirkning."