Bygger et bedre batteri, lag for lag

Et team af forskere fra Shinshu University i Nagano, Japan er nu tættere på en tynd, lithium-ion-batteri med høj kapacitet, der kunne åbne døren til bedre energilagringssystemer til elektriske køretøjer. Forskerteamet blev ledet af professor Katsuya Teshima, direktør for Center for Energi og Miljøvidenskab (CEES) ved Shinshu University i Japan. De offentliggjorde deres indsigt online i august i Videnskabelige rapporter .

"Lithium-ion-batterier er meget lovende energilagringssystemer til elektriske køretøjer, der kræver relativt høje energitætheder, "sagde forfatteren Nobuyuki Zettsu, en professor i CEES og i Institut for Materialekemi ved Shinshu University. "Imidlertid, deres høje driftsspændinger resulterer sædvanligvis i oxidativ nedbrydning af elektrodeoverfladen, som efterfølgende fremmer forskellige sidereaktioner. "

Lithium-ion-batterier gemmer meget energi, men den kraft, det tager at få batteriet til at sprede energien, er for meget - så meget, faktisk, at den resulterende skade får batteriet til at miste lagerkapacitet.

For at bekæmpe dette problem, Zettsu og kolleger undersøgte de elektriske og elektrokemiske egenskaber ved højspændingen (> 4,8 V, vs Li+/Li) katode, hvor elektronerne kommer ind i battericellen.

"Mange forskere har forsøgt at afbøde den observerede kapacitet ved at falme ved at reducere det direkte kontaktområde, "Sagde Zettsu, peger på forskningsprojekter, hvor forskere dækkede katodens overflade med forskellige materialer i et forsøg på at reducere erosion. "Forskellige grundlæggende undersøgelser er blevet udført for at undersøge virkningerne af overfladebelægningsmodifikationen; men ingen af ​​dem førte til en betydelig ydelsesforbedring af højspændings katodebaserede battericeller. "

Zettsu kan have vendt tidevandet på overflademodifikatorer ved hjælp af et selvmonteret enkeltlag. Hans team påførte en ultratynd belægning af fluoralkylisilan på katodernes overflade. Fluoroalkylisilan, en type silikone, organiserer sig i det mest effektive arrangement til at lede lithiumioner og isolere elektroner, mens det kun er et atom tykt.

"Vi opdagede ... at belægning af overfladen af ​​det aktive materiale med et selvsamlet monolag ... fremmer effektiv transport inden for elektroderne, samtidig med at den undertrykker de sidreaktioner, der forekommer ved elektroden og elektrolytgrænsefladen, "Zettsu sagde." Denne belægning gav forbedring af både effekttætheden og cyklussen i højspændings lithium-ion-batterier. "

Forskerne så, at den direkte kontakt mellem katoden og elektrolytten, der kom ind i batteriet, blev minimeret, og at batteriets kapacitet ikke forringedes, selv efter at det blev cyklet hundrede gange.

"De aflejrede selvmonterede enkeltlagsbelægninger reducerede aktiveringsbarrieren for lithiumionoverførsel og stabiliserede ioner nær overfladen, som positivt påvirkede de elektrokemiske reaktioner, der forekommer ved grænsefladen mellem elektroden og elektrolytten, "Zettsu sagde." Overfladestabiliseringsbelægningerne repræsenterer en spilskiftende teknologi til udvikling af højspændingskatodematerialer uden begrænsning af det elektrokemiske dilemma om effektivitet versus stabilisering. "

Imidlertid, Zettsu sagde, de fulde effekter, der produceres af overfladebelægningen på det fulde batterisystem, skal undersøges nærmere for bedre at forstå eventuelle potentielle negative bivirkninger.

"Vores resultater kan give nye retninger til design af lithium-ion-batterier baseret på højspændingssystemer med overlegen elektrokemisk ydeevne, "Sagde Zettsu.

Zettsu planlægger at introducere denne overfladebehandlingsteknologi på markedet inden 2022 i samarbejde med bil- og celleproducenter, med det formål at skabe højenergibatterier, der også er miljøvenlige.

"På grund af verdens miljøregler, skubbet mod elektriske og hybridbiler fortsætter med et konstant momentum. Det krævede ydelsesniveau for litiumionbatterier er meget højt, "Sagde Zettsu." I øjeblikket er vi arbejder på at fremstille rigtige battericeller til plug-in hybridbiler og batteri elektriske køretøjer ved hjælp af belægningsprocessen og eksperimenter i automatiske køremåder. "