Nyt copolymerbindemiddel for at forlænge levetiden af ​​lithium-ion-batterier

Enhver, der har ejet en smartphone i over et år, er højst sandsynligt klar over, at dets indbyggede lithium (Li)-ion batteri ikke holder så meget opladning, som da enheden var ny. Nedbrydningen af ​​Li-ion-batterier er et alvorligt problem, der i høj grad begrænser levetiden for bærbare elektroniske enheder, indirekte forårsager enorme mængder forurening og økonomiske tab. Ud over dette, det faktum, at Li-ion-batterier ikke er særlig holdbare, er en massiv vejspærring for markedet for elektriske køretøjer og høst af vedvarende energi. I betragtning af alvoren af ​​disse problemer, det er ingen overraskelse, at forskere aktivt har søgt efter måder at forbedre det avancerede design af Li-ion-batterier på.

En af hovedårsagerne til faldet i kapacitet over tid i Li-ion-batterier er nedbrydningen af ​​de meget brugte grafitanoder - de negative poler i batterier. Anoden, sammen med katoden (eller den positive terminal) og elektrolytten (eller mediet, der bærer ladningen mellem to terminaler), tilvejebringe et miljø, hvor de elektrokemiske reaktioner til opladning og afladning af batteriet kan finde sted. Imidlertid, grafit kræver et bindemiddel for at forhindre det i at falde fra hinanden under brug. Det mest udbredte bindemiddel i dag, poly(vinylidenfluorid) (PVDF), har en række ulemper, der gør det langt fra et ideelt materiale.

For at løse disse problemer, et team af forskere fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) undersøger en ny type bindemiddel fremstillet af en bis-imino-acenaphthenequinon-paraphenylen (BP) copolymer. Deres seneste undersøgelse, udgivet i ACS Applied Energy Materials , blev ledet af professor Noriyoshi Matsumi og involverede også professor Tatsuo Kaneko, Universitetslektor Rajashekar Badam, Ph.D. studerende Agman Gupta, og tidligere postdoc Aniruddha Nag.

Så, i hvilken henseende overgår BP-copolymeren det konventionelle PVDF-bindemiddel til grafitanoder? Først, BP-bindemidlet giver væsentlig bedre mekanisk stabilitet og vedhæftning til anoden. Dette kommer delvist fra de såkaldte π–π-interaktioner mellem bis-imino-acenaphthenequinon-grupperne og grafit, og også fra den gode vedhæftning af copolymerens ligander til batteriets kobberstrømkollektor. For det andet ikke alene er BP-copolymeren meget mere ledende end PVDF, det danner også en tyndere ledende fast elektrolytgrænseflade med mindre modstand. For det tredje, BP-copolymeren reagerer ikke let med elektrolytten, hvilket også i høj grad forhindrer dens nedbrydning.

Alle disse fordele kombineret førte til nogle seriøse præstationsforbedringer, som forskerne demonstrerede gennem eksperimentelle målinger. "Mens en halvcelle, der brugte PVDF som bindemiddel, kun udviste 65% af sin oprindelige kapacitet efter omkring 500 opladnings-afladningscyklusser, halvcellen, der brugte BP-copolymeren som bindemiddel, viste en kapacitetsretention på 95% efter over 1700 sådanne cyklusser, " fremhæver prof. Matsumi. De BP copolymer-baserede halvceller viste også en meget høj og stabil coulombisk effektivitet, et mål, der sammenligner mængden af ​​ladning, der strømmer ind og ud af cellen i en given cyklus; dette er også et tegn på batteriets langtidsholdbarhed. Billeder af bindemidlerne taget med et scanningselektronmikroskop før og efter cykling afslørede, at der kun dannedes små revner på BP-copolymeren, hvorimod der allerede var dannet store revner på PVDF i mindre end en tredjedel af det samlede antal cyklusser.

De teoretiske og eksperimentelle resultater af denne undersøgelse vil bane vejen for udvikling af langtidsholdbare Li-ion-batterier. På tur, dette kan have vidtrækkende økonomiske og miljømæssige konsekvenser, som Prof. Matsumi forklarer:"Realiseringen af ​​holdbare batterier vil hjælpe med udviklingen af ​​mere pålidelige produkter til langtidsbrug. Dette vil tilskynde forbrugerne til at købe dyrere batteribaserede aktiver som elbiler, som vil blive brugt i mange år." Han bemærker også, at holdbare batterier ville være gode nyheder for dem, der er afhængige af kunstige organer, såsom patienter med visse hjertesygdomme. Selvfølgelig, den almindelige befolkning ville også have gavn af, i betragtning af hvor meget smartphones, tabletter, og bærbare computere bruges og genoplades hver dag.