Forskere tester celler med siliciumanoder, aluminiumoxidbelægninger, der beskytter katoder

Processen med at udvikle bedre genopladelige batterier kan være uklar, men der er en aluminiumoxidforing.

Et slankt lag af metaloxidet påført almindelige katoder af ingeniører ved Rice University's Brown School of Engineering afslørede nye fænomener, der kunne føre til batterier, der er bedre gearet til elbiler og mere robust energilagring uden for nettet.

Undersøgelsen i American Chemical Society's ACS Applied Energy Materials beskriver en hidtil ukendt mekanisme, hvorved lithium bliver fanget i batterier, hvilket begrænser antallet af gange, den kan oplades og aflades ved fuld effekt.

Men den egenskab dæmper ikke håbet om, at i nogle situationer, sådanne batterier kunne være helt rigtige.

Rislaboratoriet af kemisk og biomolekylær ingeniør Sibani Lisa Biswal fandt et sødt sted i batterierne, som ved ikke at maksimere deres lagerkapacitet, kunne give en stabil og stabil cykling til applikationer, der har brug for det.

Biswal sagde, at konventionelle lithium-ion-batterier bruger grafitbaserede anoder, der har en kapacitet på mindre end 400 milliampere timer pr. gram (mAh/g), men siliciumanoder har potentielt 10 gange så stor kapacitet. Det kommer med en ulempe:Silicium udvider sig, da det legeres med lithium, stresser anoden. Ved at gøre silicium porøst og begrænse dets kapacitet til 1, 000 mAh/g, holdets testbatterier gav stabil cykling med stadig fremragende kapacitet.

"Maksimal kapacitet belaster materialet meget, så dette er en strategi til at få kapacitet uden samme grad af stress, " sagde Biswal. "1, 000 milliampere timer pr. gram er stadig et stort spring."

Holdet ledet af postdoc Anulekha Haridas testede konceptet med at parre de porøse, højkapacitets siliciumanoder (i stedet for grafit) med højspændings nikkel mangan cobalt oxid (NMC) katoder. De fuldcellede lithium-ion-batterier viste stabil cyklerbarhed ved 1, 000 mAh/g over hundredvis af cyklusser.

Nogle katoder havde et 3-nanometer lag af aluminiumoxid (påført via atomlagsaflejring), og nogle gjorde ikke. Dem med aluminiumoxidbelægningen beskyttede katoden mod at bryde ned i nærvær af flussyre, som dannes, hvis selv små mængder vand invaderer den flydende elektrolyt. Test viste, at aluminiumoxid også accelererede batteriets opladningshastighed, reducere antallet af gange, det kan oplades og aflades.

Der ser ud til at være omfattende fældefangst som et resultat af den hurtige lithiumtransport gennem aluminiumoxid, sagde Haridas. Forskerne kendte allerede til mulige måder, hvorpå siliciumanoder fanger lithium, gør den utilgængelig til at forsyne enheder, men hun sagde, at dette er den første rapport om, at aluminiumoxidet selv absorberer lithium, indtil det er mættet. På det tidspunkt, hun sagde, laget bliver en katalysator for hurtig transport til og fra katoden.

"Denne lithiumfangende mekanisme beskytter effektivt katoden ved at hjælpe med at opretholde en stabil kapacitet og energitæthed for de fulde celler, " sagde Haridas.

Medforfattere er Rice kandidatstuderende Quan Anh Nguyen og Botao Farren Song, og Rachel Blaser, en forsknings- og udviklingsingeniør hos Ford Motor Co. Biswal er professor i kemisk og biomolekylær teknik og i materialevidenskab og nanoteknik. Fords universitetsforskningsprogram støttede forskningen.