Lithium-ion anode bruger selvsamlede nanokompositmaterialer for at øge kapaciteten

En ny højtydende anodestruktur baseret på silicium-carbon nanokompositmaterialer kan forbedre ydeevnen af ​​lithium-ion-batterier, der bruges i en lang række applikationer, fra hybridbiler til bærbar elektronik markant.

Fremstillet med en "bottom-up" selvmonteringsteknik, den nye struktur udnytter nanoteknologi til at finjustere dens materialeegenskaber, adressering af manglerne ved tidligere siliciumbaserede batterianoder. Det enkle, lavpris fabrikationsteknik blev designet til at være let opskaleret og kompatibel med eksisterende batteriproduktion.

Detaljer om den nye selvsamlingsmetode blev offentliggjort online i tidsskriftet Naturmaterialer den 14. marts.

"Udvikling af en ny tilgang til fremstilling af hierarkiske anode- eller katodepartikler med kontrollerede egenskaber åbner døren til mange nye retninger for lithium-ion batteriteknologi, " sagde Gleb Yushin, en assisterende professor ved School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Dette er et væsentligt skridt mod kommerciel produktion af siliciumbaserede anodematerialer til lithium-ion-batterier."

De populære og lette batterier fungerer ved at overføre lithium-ioner mellem to elektroder - en katode og en anode - gennem en flydende elektrolyt. Jo mere effektivt litiumionerne kan komme ind i de to elektroder under opladnings- og afladningscyklusser, jo større vil batteriets kapacitet være.

Eksisterende lithium-ion-batterier er afhængige af anoder lavet af grafit, en form for kulstof. Siliciumbaserede anoder tilbyder teoretisk så meget som en ti gange kapacitetsforbedring i forhold til grafit, men siliciumbaserede anoder har hidtil ikke været stabile nok til praktisk brug.

Grafitanoder bruger partikler i størrelse fra 15 til 20 mikron. Hvis siliciumpartikler af den størrelse blot erstattes af grafitten, udvidelse og sammentrækning, når litiumionerne kommer ind og forlader silicium, skaber revner, der hurtigt får anoden til at mislykkes.

Det nye nanokompositmateriale løser det nedbrydningsproblem, potentielt giver batteridesignere mulighed for at udnytte kapacitetsfordelene ved silicium. Det kunne lette højere udgangseffekt fra en given batteristørrelse - eller tillade et mindre batteri at producere en påkrævet mængde strøm.

"På nanoskalaen, vi kan tune materialeegenskaber med meget bedre præcision, end vi kan ved traditionelle størrelsesskalaer, " sagde Yushin. "Dette er et eksempel på, hvor fabrikationsteknikker i nanoskala fører til bedre materialer."

Elektriske målinger af de nye kompositanoder i små møntceller viste, at de havde en kapacitet mere end fem gange større end grafits teoretiske kapacitet.

Fremstilling af den sammensatte anode begynder med dannelsen af ​​stærkt ledende forgreningsstrukturer - svarende til grene af et træ - lavet af carbon black nanopartikler udglødet i en højtemperaturrørsovn. Siliciumnanosfærer med diametre på mindre end 30 nanometer dannes derefter i kulstofstrukturerne ved hjælp af en kemisk dampaflejringsproces. Silicium-carbon-kompositstrukturerne ligner "æbler, der hænger på et træ."

Brug af grafitisk kulstof som et elektrisk ledende bindemiddel, silicium-carbon-kompositterne samles derefter selv til stive kugler, der har åbne, indbyrdes forbundne indre porekanaler. Sfærerne, dannet i størrelser fra 10 til 30 mikron, bruges til at danne batterianoder. Den relativt store kompositpulverstørrelse - tusind gange større end individuelle siliciumnanopartikler - muliggør nem pulverbehandling til anodefremstilling.

De indre kanaler i silicium-carbon-kuglerne tjener to formål. De tillader flydende elektrolyt for at tillade hurtig adgang af lithium-ioner til hurtig batteriopladning, og de giver plads til at rumme ekspansion og sammentrækning af silicium uden at revne anoden. De indre kanaler og partikler i nanometerskala giver også korte lithiumdiffusionsveje ind i anoden, øge egenskaberne ved batteristrøm.

Størrelsen af ​​siliciumpartiklerne styres af varigheden af ​​den kemiske dampaflejring og trykket på aflejringssystemet. Størrelsen af ​​kulstofnanostrukturgrenene og størrelsen af ​​siliciumkuglerne bestemmer porestørrelsen i kompositten.

Produktionen af ​​silicium-carbon-kompositterne kunne skaleres op som en kontinuerlig proces, der er egnet til ultrahøjvolumen pulverfremstilling, sagde Yushin. Fordi de endelige sammensatte kugler er relativt store, når de fremstilles til anoder, selvsamlingsteknikken undgår de potentielle sundhedsrisici ved håndtering af pulver i nanoskala, han tilføjede.

Når først de er fremstillet, nanokompositanoder ville blive brugt i batterier ligesom konventionelle grafitstrukturer. Det ville give batteriproducenter mulighed for at adoptere det nye anodemateriale uden at foretage dramatiske ændringer i produktionsprocesserne.

Indtil nu, forskerne har testet den nye anode gennem mere end hundrede opladnings-afladningscyklusser. Yushin mener, at materialet ville forblive stabilt i tusindvis af cyklusser, fordi ingen nedbrydningsmekanismer er blevet synlige.

"Hvis denne teknologi kan tilbyde en lavere pris på kapacitetsbasis, eller lettere vægt sammenlignet med nuværende teknikker, dette vil hjælpe med at fremme markedet for lithiumbatterier, " sagde han. "Hvis vi er i stand til at producere billigere batterier, der holder i lang tid, dette kunne også lette vedtagelsen af ​​mange "grønne" teknologier, såsom elbiler eller solceller."