En innovativ proces forhindrer irreversibelt energitab i batterier

Når batteriet er fuldt opladet, en elektronisk enhed vil normalt angive, at den har 100% kapacitet. Imidlertid, denne værdi repræsenterer kun 70–90% af den teoretiske energitæthed, der kan lagres i batterierne, på grund af det permanente tab af Li -ioner, der opstår under den første ladning i stabiliserings- (dannelses-) stadiet af batteriproduktion. Ved at forhindre dette første tab af Li -ioner, kilometertal for elektriske køretøjer (EV'er) og brugstiden for smartphones kan øges drastisk.

I et forsøg på at overvinde dette problem, et fælles forskerhold ved Korea Institute of Science and Technology (KIST), ledet af Dr. Minah Lee fra Center for Energy Storage Research, Dr. Jihyun Hong fra Center for Energy Materials Research, og Dr. Hyangsoo Jeong fra Center for Hydrogen-Fuel Cell Research, har udviklet en elektrodeforbehandlingsløsning, der er i stand til at minimere dette indledende Li-iontab i grafit-siliciumoxid (SiO _x , 0,5 ≤ x ≤ 1,5) sammensatte anoder. Efter at være dyppet i opløsningen, anoden, som var sammensat af 50% SiO _x , demonstreret ubetydeligt Li -tab, gør det muligt for en fuld celle at udvise næsten ideel energitæthed.

Mens de fleste kommercielle Li -batterier har en grafitanode, SiO _x har vundet betydelig opmærksomhed som næste generations materiale til anoder på grund af dets høje kapacitet, hvilket er fem til 10 gange større end grafit. Endnu, SiO _x forbruger også irreversibelt tre gange så meget aktivt Li som grafit. Som resultat, en sammensat elektrode, bestående af en blanding af grafit og SiO _x , vinder nu anerkendelse som et alternativ til praktiske næste generations anoder. Imidlertid, mens der var en tilsvarende stigning i grafit-SiO's kapacitet _x sammensatte elektroder ved højere forhold mellem SiO _x , der var også en stigning i tab af første Li. Følgelig, forholdet mellem SiO _x indhold i en grafit-SiO _x kompositelektrode var begrænset til 15%, da forhøjelse af forholdet til 50% ville resultere i et indledende Li -tab på 40%.

For samtidig at opnå høj kapacitet og høj initial effektivitet, videnskabsfolk foreslog forskellige præithieringsmetoder, der involverede præ-doping af ekstra Li i anoden. Dr. Minah Lees forskergruppe ved KIST udviklede en proces, hvor elektroden dyppes i en unik løsning for at reducere Li -forbruget af SiO _x elektrode. Holdet anvendte derefter denne proces på en grafit-SiO _x kompositmateriale med betydeligt kommercialiseringspotentiale.

Forskergruppen fandt ud af, at de tidligere behandlingsløsninger, der blev udviklet tidligere, ville forårsage utilsigtet indsættelse af opløsningsmiddelmolekyler med Li-ioner i grafitten, på grund af grafitens alsidige interkalkationsevne. Denne sammenkalkning af store opløsningsmiddelmolekyler resulterede i den strukturelle nedbrydning af grafitten-SiO _x sammensat elektrode. For at forhindre elektrodesvigt, forskerne udviklede en ny løsning ved hjælp af et svagt opløsningsmiddel til at reducere interaktionen mellem opløsningsmidlet og Li -ionerne. Denne løsning muliggjorde selektiv indsættelse af Li -ioner i de aktive materialer, sikre en stabil forsyning af yderligere Li til grafitten-SiO _x sammensat elektrode.

Det indledende Li-forbrug blev fuldstændigt forhindret efter grafitten-SiO _x elektroden blev nedsænket i løsningen udviklet af forskerholdet i cirka 1 minut, selv ved en 50% SiO _x forhold. Følgelig, elektroden viste en høj initial effektivitet på næsten 100%, hvilket angiver ubetydeligt Li -tab (≤ 1%) i den oprindelige ladning. Elektroder udviklet gennem denne proces havde en kapacitet 2,6 gange højere end konventionelle grafitanoder, samtidig med at den bevarer 87,3% af den oprindelige kapacitet efter 250 opladnings-/afladningscyklusser.

Dr. Minah Lee fra KIST sagde, "Som et resultat af denne undersøgelse, vi burde være i stand til at øge SiO _x indhold i grafit-SiO _x sammensatte anoder til over 50%, i modsætning til 15% -forholdet tilladt af konventionelle materialer, gør det muligt at producere lithium -ion -batterier med en større kapacitet og forbedre kilometertal for fremtidige elbiler. "Dr. Jihyun Hong, en medforsker ved KIST, sagde også, "Teknologien er sikker og egnet til masseproduktion, og derfor sandsynligvis kommercialiseret. "