Mod omkostningseffektive løsninger til næste generations forbrugerelektronik, elbiler og elnet

Jagten på et bedre lithium-ion-batteri - et, der kunne holde en mobiltelefon i gang i dagevis, øge rækkevidden af ​​elbiler og maksimere energilagring på et net – er en løbende søgen, men en nylig undersøgelse udført af canadian Light Source (CLS) forskere med National Research Council of Canada (NRC) viste, at svaret kan findes i kemi.

"Folk har prøvet alt på ingeniørniveau for at forbedre batterier, " sagde Dr. Yaser Abu-Lebdeh, seniorforsker ved NRC, "men for at forbedre deres kapacitet, man skal lege med materialernes kemi."

Lithium-batterier har elektroder sammensat af grafit og et bindemiddel kaldet polyvinylidendifluorid (PVDF), forklarede Abu-Lebdeh, som arbejdede med NRC-kolleger og videnskabsmænd ved CLS om undersøgelsen. Silicium, imidlertid, har 10 gange mere lithiumkapacitet end grafit, så der har været fokus på at skabe en kompositelektrode lavet af både silicium og grafit.

Dette ser ud til at være en farbar vej til at øge energitætheden af ​​genopladelige lithium-ion-batterier, men siliciumkompositbatterierne mister kapacitet meget hurtigt under cykling; efter kun fem cyklusser, deres kapacitet var endnu lavere end kun grafitelektroder, selv for små mængder silicium i kompositterne.

"Projektet ville have været meget udfordrende at gennemføre uden CLS's evne til at se kemien i grænsefladen på nanoskalaen, " siger CLS industriforsker Jigang Zhou, en batteriekspert på forskerholdet.

Holdet brugte flere NRC og CLS faciliteter, inklusive elektrokemisk testning, scanning elektronmikroskopi og røntgenspektroskopi, at udvikle en ny batterikarakteriserende metode, der demonstrerer kemien ved batteriets overflade. Teknikken kan bruges til forskning i en række genopladelige batterier, som Zhou er begejstret for.

"For mig, den sande skønhed er, at denne nye karakteriserende metode er en stråle til ny forståelse af så mange batteriforskningsspørgsmål, " siger Zhou.

Holdet brugte deres teknik til at forstå, hvorfor selv en lille mængde silicium, når det kombineres med grafit og bindemidlet, fik batterierne til at nedbrydes. Problemet, de opdagede, var nedbrydningen af ​​PVDF-bindemidlet under battericykling, hvilket opstod med grafit-kun elektroder på trods af god batteriydelse.

Deres resultater, udgivet af American Chemical Society online i et open access papir, give en guide til design af mere egnede bindemidler til kompositgrafit/siliciumelektroder, nye polymerer, der ikke udviser nogen negativ kemisk interaktion med nogen af ​​komponenterne, peger på muligheden for at øge batterikapaciteten ved at inkludere silicium.

Abu-Lebdeh forventer at se udviklingen af ​​nye bindemidler, der fører til en trinvis stigning i siliciumindholdet, til et mål på omkring 20 pct. Resultatet, han sagde, ville være batterier med højere energitæthed med tre gange større kapacitet end dem med kun grafitelektroder. Han tilføjede, at mens tilføjelse af silicium øger batterikapaciteten, det øger ikke omkostningerne, hvis det er integreret som en ikke-forstyrrende, drop-in teknologi i nuværende fremstillingsprocesser.

Abu-Lebdeh krediterer Zhou og CLS-videnskabsmanden Jian Wang for at give "den grundlæggende forståelse, der var afgørende for dette arbejde. Det var virkelig kollaborativ forskning, og de gav en afgørende brik til puslespillet."

Abu-Lebdeh beskrev forskernes resultater som en vigtig overvejelse for lithium-ion batteriindustrien, der arbejder hen imod omkostningseffektive løsninger til næste generations forbrugerelektronik, elbiler og elnet.