Revolutionerende ledende polymer muliggør brug af silicium som næste generation af lithium-ion batterianoder

Lithium-ion-batterier er overalt, i smartphones, bærbare computere, en række andre forbrugerelektronik, og de nyeste elbiler. Gode ​​som de er, de kunne være meget bedre, især når det kommer til at sænke omkostningerne og udvide rækkevidden af ​​elbiler. At gøre det, batterier skal lagre meget mere energi.

Anoden er en kritisk komponent til lagring af energi i lithium-ion-batterier. Et team af forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har designet en ny slags anode, der kan absorbere otte gange så meget lithium som nuværende designs, og har bevaret sin stærkt øgede energikapacitet efter over et års test og mange hundrede opladnings-afladningscyklusser.

Hemmeligheden er en skræddersyet polymer, der leder elektricitet og binder sig tæt til lithiumlagrende siliciumpartikler, selvom de udvider sig til mere end tre gange deres volumen under opladning og derefter krymper igen under afladning. De nye anoder er lavet af billige materialer, kompatibel med standard lithium-batteri fremstillingsteknologier. Forskerholdet rapporterer sine resultater i Avancerede materialer , nu tilgængelig online.

Udvidelse med høj kapacitet

"Højkapacitets lithium-ion anodematerialer har altid stået over for udfordringen med volumenændring - hævelse - når elektroder absorberer lithium, " siger Gao Liu fra Berkeley Labs Environmental Energy Technologies Division (EETD), et medlem af BATT-programmet (Batteries for Advanced Transportation Technologies) administreret af laboratoriet og støttet af DOE's Office of Vehicle Technologies.

siger Liu, "De fleste af nutidens lithium-ion-batterier har anoder lavet af grafit, som er elektrisk ledende og kun udvider sig beskedent, når ionerne huser mellem sine grafenlag. Silicium kan lagre 10 gange mere – det har langt den højeste kapacitet blandt lithium-ion-lagringsmaterialer – men det svulmer til mere end tre gange dets volumen, når det er fuldt opladet."

Denne form for hævelse bryder hurtigt de elektriske kontakter i anoden, så forskere har koncentreret sig om at finde andre måder at bruge silicium på, samtidig med at anodens ledningsevne bevares. Mange tilgange er blevet foreslået; nogle er uoverkommeligt dyre.

En mindre dyr tilgang har været at blande siliciumpartikler i et fleksibelt polymerbindemiddel, med kønrøg tilsat blandingen for at lede elektricitet. Desværre, den gentagne hævelse og krympning af siliciumpartiklerne, når de optager og frigiver lithiumioner, skubber til sidst de tilsatte kulstofpartikler væk. Det, der er brug for, er et fleksibelt bindemiddel, der kan lede elektricitet af sig selv, uden det tilsatte kulstof.

"At lede polymerer er ikke en ny idé, "siger Liu, "men tidligere indsats har ikke fungeret godt, fordi de ikke har taget højde for det alvorlige reducerende miljø på anodesiden af ​​et lithium-ion batteri, som gør de fleste ledende polymerer til isolatorer."

En sådan eksperimentel polymer, kaldet PAN (polyanilin), har positive ladninger; det starter som en leder, men mister hurtigt ledningsevne. En ideel ledende polymer bør let optage elektroner, gør den ledende i anodens reducerende miljø.

Signaturen på en lovende polymer ville være en med en lav værdi af tilstanden kaldet den "laveste ubesatte molekylære orbital, "hvor elektroner nemt kan opholde sig og bevæge sig frit. Ideelt set, elektroner ville blive erhvervet fra lithium-atomerne under den indledende opladningsproces. Liu og hans postdoc-stipendiat Shidi Xun i EETD designede en serie af sådanne polyfluorenbaserede ledende polymerer - PF'er for korte.

Da Liu diskuterede PF'ernes fremragende ydeevne med Wanli Yang fra Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), et videnskabeligt samarbejde opstod for at forstå de nye materialer. Yang foreslog at udføre blød røntgenabsorptionsspektroskopi på Liu og Xuns kandidatpolymerer ved hjælp af ALS-strålelinje 8.0.1 for at bestemme deres vigtigste elektroniske egenskaber.

siger Yang, "Gao ønskede at vide, hvor ionerne og elektronerne er, og hvor de bevæger sig. Blød røntgenspektroskopi har magten til at levere præcis denne slags afgørende information."

Sammenlignet med den elektroniske struktur af PAN, absorptionsspektret Yang opnået for PF'erne skilte sig straks ud. Forskellene var størst i PF'er, der inkorporerede en carbon-oxygen-funktionel gruppe (carbonyl).

"Vi havde de eksperimentelle beviser, "siger Yang, "men for at forstå, hvad vi så, og dens relevans for polymerens ledningsevne, vi havde brug for en teoretisk forklaring, fra de første principper." Han bad Lin-Wang Wang fra Berkeley Labs Materials Sciences Division (MSD) om at deltage i forskningssamarbejdet.

Wang og hans postdoc-stipendiat, Nenad Vukmirovic, udført ab initio beregninger af de lovende polymerer på Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Wang siger, "Beregningen fortæller dig, hvad der virkelig foregår - herunder præcis hvordan lithium-ionerne binder sig til polymeren, og hvorfor den tilføjede funktionelle carbonylgruppe forbedrer processen. Det var ret imponerende, at beregningerne matchede eksperimenterne så smukt."

Simuleringen afslørede faktisk "hvad der virkelig foregår" med den type PF, der inkluderer den carbonylfunktionelle gruppe, og viste hvorfor systemet fungerer så godt. Litiumionerne interagerer først med polymeren, og bagefter bindes til siliciumpartiklerne. Når et lithiumatom binder til polymeren gennem carbonylgruppen, det giver sin elektron til polymeren – en dopingproces, der markant forbedrer polymerens elektriske ledningsevne, letter elektron- og iontransport til siliciumpartiklerne.

Cykle for succes

Efter at have gennemgået en cyklus af materialesyntese på EETD, eksperimentel analyse på ALS, og teoretisk simulering på MSD, de positive resultater udløste en ny cyklus af forbedringer. Næsten lige så vigtige som dens elektriske egenskaber er polymerens fysiske egenskaber, hvortil Liu nu tilføjede en anden funktionel gruppe, producerer en polymer, der kan klæbe tæt til siliciumpartiklerne, når de optager eller mister lithiumioner og gennemgår gentagne ændringer i volumen.

Scanningselektronmikroskopi og transmissionselektronmikroskopi ved National Center for Electron Microscopy (NCEM), viser anoderne efter 32 opladnings-afladningscyklusser, bekræftet, at den modificerede polymer klæbte kraftigt under hele batteridriften, selvom siliciumpartiklerne gentagne gange udvidede sig og trak sig sammen. Test ved ALS og simuleringer bekræftede, at de tilføjede mekaniske egenskaber ikke påvirkede polymerens overlegne elektriske egenskaber.

"Uden input fra vores partnere på ALS og i MSD, hvad der kan modificeres, og hvad der ikke bør modificeres i den næste generation af polymerer, ville ikke have været indlysende, " siger Vince Battaglia, Programleder for EETD's Advanced Energy Technologies Department.

"Denne præstation giver et sjældent videnskabeligt udstillingsvindue, kombinere avancerede synteseværktøjer, karakterisering, og simulering i en ny tilgang til materialeudvikling, " siger Zahid Hussain, ALS-afdelingens stedfortræder for videnskabelig støtte og videnskabelig støttegruppeleder. "Den cykliske tilgang kan føre til opdagelsen af ​​nye praktiske materialer med en grundlæggende forståelse af deres egenskaber."

Prikken over i'et er, at den nye PF-baserede anode ikke kun er overlegen, men også økonomisk. "Ved at bruge kommercielle siliciumpartikler og uden nogen ledende additiv, vores kompositanode udviser den bedste ydeevne hidtil, " siger Gao Liu. "Hele fremstillingsprocessen er lavpris og kompatibel med etablerede fremstillingsteknologier. Den kommercielle værdi af polymeren er allerede blevet anerkendt af større virksomheder, og dets mulige anvendelser strækker sig ud over siliciumanoder."

Anoder er en nøglekomponent i lithium-ion batteriteknologi, men langt fra den eneste udfordring. Allerede nu skubber forskningssamarbejdet til næste skridt, studerer andre batterikomponenter inklusive katoder.