Et nyt elektrolytdesign, der kunne forbedre ydeevnen af ​​Li-ion-batterier

De fleste eksisterende lithium-ion-batterier (LIB'er) integrerer grafitanoder, som har en kapacitet på cirka 350 milliampere timer (mAh) pr. gram. Kapaciteten af ​​siliciumanoder er næsten 10 gange højere end deres grafitmodstykker (omkring 2, 800 mAh pr. gram), og kunne dermed teoretisk muliggøre udviklingen af ​​mere kompakte og lettere lithium-baserede batterier.

På trods af deres højere kapacitet, silicium anoder har hidtil ikke været i stand til at konkurrere med grafit anoder, som silicium udvider sig og trækker sig sammen under batteridrift, så anodernes ydre beskyttende lag nemt kan revne, mens et batteri er i drift. I et nyligt papir offentliggjort i Naturenergi , et team af forskere ved University of Maryland College Park og Army Research Laboratory har rapporteret om et nyt elektrolytdesign, der kunne overvinde begrænsningerne ved eksisterende siliciumanoder.

"Siliconanoder og deres dannede solid electrolyte interphase (SEI) beskyttende lag er lettere at pulverisere under batteridrift, fordi SEI binder sig stærkt til Si, så begge oplever en stor mængde ændringer, "Ji Chen, en af ​​de førende forskere, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org.

SEI er et beskyttende lag, der dannes naturligt, når anodepartikler er i direkte kontakt med en elektrolyt. Dette lag fungerer som en barriere, der forhindrer yderligere reaktioner i at forekomme inde i batteriet, adskiller anoden fra elektrolytten.

"Hvis dette beskyttende lag bliver beskadiget under Si-anodepartikeludvidelse eller sammentrækning, de nyligt eksponerede anodepartikler reagerer kontinuerligt med elektrolytten, indtil den løber tør under battericykling, "Oleg Borodin, en senior kemiker involveret i undersøgelsen ved Army Research Laboratory, fortalte Phys.org.

I mere end et årti, forskningsgrupper verden over har forsøgt at overvinde de problemer, der forhindrer brugen af ​​siliciumanoder i LIB'er, primært ved at designe fleksible og organiske SEI'er, der udvides med anoderne. De fleste af de løsninger, de udviklede, imidlertid, har vist sig at være enten fuldstændig ineffektive eller mildt effektive, forhindrer således kun delvist SEI-skader.

"I lang tid, LIB-forskningssamfundet har forsøgt at udtænke teknikker til at få højkapacitetsanoder som Si til at fungere, " sagde Chunsheng Wang, en professor ved Department of Chemical &Biomolecular Engineering og Department of Chemistry &Biochemistry ved University of Maryland (UMD), som også er UMD-direktør for Center for Forskning i ekstreme batterier. "Disse forskere arbejdede for det meste på Si-materialeniveauet ved at introducere dyre nanofabrikationsprocesser. Vi forsøgte at tackle dette problem anderledes ved at designe elektrolytten og den tilsvarende SEI til højkapacitetsanoder."

Chen, Borodin, Wang og deres kolleger designede en elektrolyt, der kunne forbedre ydeevnen af ​​siliciumanoder i mikrostørrelse i LIB'er, forhindre beskadigelse af deres ydre beskyttelsesbarriere. Sammenlignet med tidligere foreslåede løsninger, deres tilgang minimerer nedbrydningen af ​​elektrolyt væsentligt, dermed tillader meget længere battericykling, før det mister sin kapacitet.

Det endelige mål med forskernes undersøgelse var at identificere en universel, drop-in løsning, der kunne lette udviklingen af ​​højkapacitetsanoder til Li-baserede batterier. For at opnå dette, de designede elektrolytter ved hjælp af LiPF ₆ , et avanceret salt, og en blanding af etheropløsningsmidler, danner et meget robust LiF-rigt SEI-beskyttelseslag.

"Den specielle solvatiseringsstruktur (interaktion mellem saltet og opløsningsmidlet) og det store mellemrum mellem reduktionstendensen af ​​saltet og opløsningsmidlet fremmer dannelsen af ​​en unik LiF-rig SEI på Si, der er super nyttig til at cykle den høje kapacitet Si anoder, " Oleg forklarede. "Den elektrolyt, vi har designet, giver en drop-in-løsning til den nuværende LIB-teknologi uden at kræve dyr behandling, og samtidig opretholde en høj cykelstabilitet og Coulombic effektivitet (CE), der er uden fortilfælde."

Den nylige undersøgelse af Chen, Borodin, Wang og deres kolleger beviser, at opnåelse af god cykling og høj CE i LIB'er indeholdende siliciumanoder er, faktisk, muligt, og at det kan opnås ved blot at udskifte elektrolytten inde i et batteri, hvilket tidligere blev anset for upraktisk eller helt umuligt. Princippet bag deres elektrolytdesign kunne også teoretisk anvendes på alle højkapacitets legeringsanoder. I fremtiden, dette design kunne muliggøre skabelsen af ​​bedre ydende lithium-baserede batterier, der indeholder anoder baseret på andre materialer end grafit.

"Vores resultater peger på en ny retning for elektrolytdesign og kan give forskerhold over hele verden tillid til anvendelsen af ​​højkapacitetsanodematerialer i LIB'er, "Wang sagde. "Vores næste skridt vil være at forbedre spændingsvinduet for elektrolytten og forsøge at licensere teknologien til batteriproducenter."

© 2020 Science X Network