Afdækning af hemmelighederne bag materialenedbrydning i et lithium-ion-batteri

Midt i den globale indsats for CO2-neutralitet er bilproducenter over hele verden aktivt engageret i forskning og udvikling for at konvertere forbrændingsmotorkøretøjer til elektriske køretøjer. Konkurrencen om at forbedre batteriydelsen, som er kernen i elbiler, intensiveres derfor. Siden deres kommercialisering i 1991 har lithium-ion-batterier haft en dominerende markedsandel i de fleste markedssegmenter, fra små husholdningsapparater til elektriske køretøjer, takket være kontinuerlig forbedring af energitæthed og effektivitet. Imidlertid er nogle fænomener, der forekommer i sådanne batterier, stadig ikke godt forstået, såsom udvidelsen og forringelsen af ​​anodematerialet.

Korea Institute of Science and Technology meddelte, at dets hold ledet af Dr. Jae-Pyoung Ahn (Research Resources Division) og Dr. Hong-Kyu Kim (Advanced Analysis and Data Center) er lykkedes med realtidsobservation af udvidelsen og forringelse af anodematerialet i batterier på grund af lithium-ioners bevægelse. Holdets forskning er offentliggjort i ACS Energy Letters .

Ydeevnen og levetiden for lithium-ion-batterier er generelt kendt for at være påvirket af forskellige ændringer, der forekommer i de interne elektrodematerialer under opladnings- og afladningsprocesserne. Det er imidlertid vanskeligt at overvåge sådanne ændringer under drift, fordi større batterimaterialer, såsom elektroder og elektrolytter, øjeblikkeligt forurenes, når de udsættes for luften. Derfor er nøjagtig observation og analyse af strukturelle ændringer i elektrodematerialet under lithium-ion-migrering den vigtigste faktor for at forbedre ydeevne og sikkerhed.

I et lithium-ion-batteri bevæger lithium-ionerne sig til anoden under opladning og bevæger sig til katoden under afladning. KIST-forskerholdet lykkedes med realtidsobservation af en silicium-grafit-kompositanode, som er ved at blive undersøgt for dens kommercielle brug som et batteri med høj kapacitet. Teoretisk set er opladningskapaciteten af ​​silicium 10 gange højere end for grafit, et konventionelt anodemateriale. Imidlertid firdobles mængden af ​​siliciumnanopulvere under opladningsprocessen, hvilket gør det vanskeligt at sikre ydeevne og sikkerhed. Det er blevet antaget, at de nanoporer, der dannes under blandingen af ​​bestanddelene af silicium-grafitkompositter, kan rumme volumenudvidelsen af ​​silicium under batteriopladning og derved ændre batterivolumen. Disse nanoporers rolle er dog aldrig blevet bekræftet ved direkte observation med elektrokemiske spændingskurver.

Ved hjælp af en selvdesignet batterianalyseplatform observerede KIST-forskerholdet direkte migrationen af ​​lithiumioner ind i silicium-grafitkompositanoden under opladning og identificerede nanoporernes praktiske rolle. Det blev fundet, at lithiumioner migrerer sekventielt ind i kulstof, nanoporer og silicium i silicium-grafit-kompositten. Desuden bemærkede forskerholdet, at porerne i nanostørrelse har en tendens til at opbevare lithiumioner (forfyldende lithiation) før lithium-siliciumpartiklerne (Si lithiation), mens porerne i mikrostørrelse rummer volumenudvidelsen af ​​silicium som tidligere antaget. Derfor foreslår forskerholdet, at en ny tilgang, der på passende vis fordeler porer i mikro- og nanostørrelse for at lindre volumenudvidelsen af ​​silicium og derved forbedrer materialets sikkerhed, er nødvendig for design af højkapacitets anodematerialer til lithium- ion-batterier.

"Ligesom James Webb Space Telescope indvarsler en ny æra inden for rumudforskning, åbner KIST batterianalyseplatformen nye horisonter inden for materialeforskning ved at muliggøre observation af strukturelle ændringer i elektriske batterier," siger Dr. Ahn, leder af KIST Research Resources Division . "Vi planlægger at fortsætte den yderligere forskning, der er nødvendig for at drive innovationer inden for batterimaterialedesign, ved at observere strukturelle ændringer i batterimaterialer, der ikke påvirkes af atmosfærisk eksponering," sagde han. + Udforsk yderligere

Forebyggelse af lithiumtab for højkapacitets lithium-ion-batterier