Forbedring af højenergi-lithium-ion-batterier med carbonfyldstof

Lithium-ion-batterier er den vigtigste genopladelige strømkilde til mange bærbare enheder såvel som elektriske køretøjer, men deres brug er begrænset, fordi de ikke giver høj effekt, samtidig med at de tillader reversibel energilagring. Forskning rapporteret i Anvendt fysik anmeldelser har til formål at tilbyde en løsning ved at vise, hvordan inkluderingen af ​​ledende fyldstoffer forbedrer batteriets ydeevne.

Det optimale batteridesign involverer tykke elektrodestrukturer. Dette øger energitætheden, men designet lider under dårlig lithium-ion transport, et nøgletrin i funktionen af ​​disse elektroder. Forskellige forbedringsteknikker er blevet prøvet, herunder at bygge vertikalt justerede kanaler eller skabe porer af den rigtige størrelse for at lette transporten af ​​lithium-ionerne.

En anden tilgang involverer brugen af ​​fyldstoffer lavet af kulstof, der leder elektricitet. Denne undersøgelse overvejede tre typer fyldstoffer:enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er), grafen nanoark, og et stof kendt som Super P, en type carbon black-partikler, der produceres under oxidation af petroleumsprækursorer. Super P er det mest almindeligt anvendte ledende fyldstof i lithium-ion-batterier.

Fyldstofferne blev føjet til en type elektrodemateriale kendt som NCM, der indeholder nikkel, kobolt, og mangan. Efterforskerne undersøgte de resulterende kompositter med scanningselektronmikroskopi. Super P- og NCM-partiklerne viste sig at være arrangeret i en punkt-til-punkt-kontakttilstand.

SWCNT'erne var, imidlertid, viklet rundt om NCM-partiklerne, danner en ledende belægning. Ud over, netværk af indbyrdes forbundne SWCNT'er blev observeret i mellemrummene mellem NCM-partikler. Grafen nanoarkene blev også viklet rundt om NCM-elektrodepartiklerne, men ikke så ensartet som SWCNT'erne var.

SWCNT'erne viste sig at være det bedste ledende fyldstof til NCM-elektroder.

"Den målte ledningsevne er i overensstemmelse med perkolationsteori ... Når et elektrisk ledende fyldstof tilføjes til en isolerende matrix, betydelige stigninger i ledningsevnen vil forekomme, når den første ledende vej gennem kompositten er dannet, " sagde Guihua Yu, en af ​​forfatterne.

Da perkolation kræver en komplet vej gennem filleren, en tilstrækkelig mængde ledende fyldstof er nødvendig. Derfor, efterforskerne overvejede forskellige mængder fyldstof og fandt ud af, at kombination af NCM -elektroder med så lidt som 0,16 vægtprocent SWCNT gav god elektrisk ledningsevne. Større mængder af Super P og grafen var påkrævet for at opnå de samme resultater.

Efterforskerne brugte flere spektroskopiske teknikker, inklusive Raman- og røntgenabsorptionsspektroskopi, at studere de resulterende kompositter.

"Dette er et samarbejde fra Center for Mesoscale Transport Properties, et Energy Frontier Research Center støttet af U.S. Department of Energy Basic Energy Sciences-programmet. Vores resultater tyder på, at integrationen af ​​SWCNT'er i NCM -elektroden letter ion- og ladningsoverførsel. Dette vil føre til højere elektrokemisk udnyttelse, især ved høje udledningshastigheder, " sagde Yu.