Oprettelse af lithium-ion-batterier med højere energitæthed til vedvarende energianvendelser

Lithium-ion-batterier (LIB'er), der fungerer som højtydende strømkilder til vedvarende applikationer, såsom elbiler og forbrugerelektronik, kræver elektroder, der leverer høj energitæthed uden at kompromittere cellelevetid.

I den Journal of Vacuum Science and Technology A , forskere undersøger oprindelsen af ​​nedbrydning i LIB-katodematerialer med høj energitæthed og udvikler strategier til at afbøde disse nedbrydningsmekanismer og forbedre LIB-ydelsen.

Deres forskning kan være værdifuld for mange nye applikationer, især elektriske køretøjer og energilagring på netniveau til vedvarende energikilder, såsom vind og sol.

"De fleste af nedbrydningsmekanismerne i LIB'er forekommer ved elektrodeoverfladerne, der er i kontakt med elektrolytten, " sagde forfatter Mark Hersam. "Vi søgte at forstå kemien på disse overflader og derefter udvikle strategier til at minimere nedbrydning."

Forskerne brugte overfladekemisk karakterisering som en strategi til at identificere og minimere resterende hydroxid- og carbonaturenheder fra syntesen af ​​NCA (nikkel, kobolt, aluminium) nanopartikler. De indså, at LIB katodeoverfladerne først skulle forberedes ved passende udglødning, en proces, hvorved katodenanopartiklerne opvarmes for at fjerne overfladeurenheder, og derefter låst ind i de ønskværdige strukturer med en atomisk tynd grafenbelægning.

De grafen-coatede NCA nanopartikler, som blev formuleret til LIB katoder, viste superlative elektrokemiske egenskaber, herunder lav impedans, høj ydeevne, høj volumetrisk energi og effekttætheder, og lang cykellevetid. Grafenbelægningen fungerede også som en barriere mellem elektrodeoverfladen og elektrolytten, hvilket yderligere forbedrede cellelevetiden.

Mens forskerne havde troet, at grafenbelægningen alene ville være tilstrækkelig til at forbedre ydeevnen, deres resultater afslørede vigtigheden af ​​at forgløde katodematerialerne for at optimere deres overfladekemi, før grafenbelægningen blev påført.

Mens dette arbejde fokuserede på nikkelrige LIB-katoder, Metoden kan generaliseres til andre energilagringselektroder, såsom natrium-ion- eller magnesium-ion-batterier, der inkorporerer nanostrukturerede materialer med stort overfladeareal. Følgelig, dette arbejde etablerer en klar vej fremad for realisering af højtydende, nanopartikelbaserede energilagringsenheder.

"Vores tilgang kan også anvendes til at forbedre ydeevnen af ​​anoder i LIB'er og relaterede energilagringsteknologier, sagde Hersam. Til sidst, du skal optimere både anoden og katoden for at opnå den bedst mulige batteriydelse."