Ny belægningsteknik finder anvendelse i næste generation af lithiumbatterianoder

(Phys.org)—Når Ovadia Lev, Professor i miljøkemi og sundhed ved The Hebrew University of Jerusalem, og hans forskerhold udviklede en ny belægningsteknologi for et par år siden, de syntes, det var et interessant resultat af deres forskning i hydrogenperoxidopløsninger. Imidlertid, de var ikke sikre på, hvad de skulle gøre med det, før de mødte et team af forskere, der ledte efter en enkel måde at syntetisere nye lithium-ion-batterianodematerialer på, såsom grafen-tinoxid-kompositter.

"I flere år nu, mit laboratorium, i samarbejde med min tidligere postdoc og nuværende forskningspartner, Dr. Petr Prikhodchenko, har forsket i sol-gel kemi i hydrogenperoxid-rige opløsninger, " fortalte Lev Phys.org . "Et af resultaterne af denne forskning var en teknologi til at belægge partikler med nanometriske metaloxidprikker. Vi begyndte at lede efter en tiltalende demonstrationsapplikation, der ville bringe fordelene ved vores belægningsprocedure frem i lyset. På en måde, vi havde en medicin og ledte efter en passende sygdom.

"Derefter, mit laboratorium blev involveret i et samarbejde mellem Israel og Singapore støttet af Singapore National Research Foundation under dets CREATE-program:Nanomaterials for Energy and Water Management, og vores singaporeanske partnere indså hurtigt, at lithium-ion batterianoder kan drage stor fordel af fleksibiliteten og enkelheden i vores partikelbelægningstilgang."

Batteriforskere finder grafen-tinoxid attraktivt som anodemateriale i lithium-ion-batterier af tre hovedårsager:det har en høj teoretisk ladekapacitet, grafen har høj ledningsevne, og nanokrystallerne af grafenoxid og tinoxid er i tæt kontakt.

Problemet er, at syntetisering af disse kompositter, som involverer belægning af et ultratyndt lag af tinoxid nanokrystaller på et ark grafenoxid, har tidligere været en dyr, høj temperatur proces. Men ved at bruge den nye belægningsteknologi, forskerne fandt ud af, at de kunne syntetisere grafen-tinoxid-kompositter ved stuetemperatur, uden kompliceret infrastruktur, til en reduceret pris, og på en miljøvenlig måde.

Lev, Prikhodchenko, og deres medforfattere, fra institutioner i Israel, Rusland, og Singapore, har offentliggjort deres undersøgelse om den forbedrede syntesemetode i et nyligt nummer af Nanoteknologi .

Som forskerne forklarer, den nye partikelbelægningsteknologi bruger hydrogenperoxid til at inducere dannelsen og aflejringen af ​​tinoxidnanokrystaller på grafenoxid. I en tidligere undersøgelse, forskerne fandt ud af, at hydrogenperoxid fremmer dannelsen af ​​en tinoxidbelægning gennem flere kemiske mekanismer, såsom at fremme binding og forhindre partikelaggregation.

Ved at bruge denne belægningsteknik, her opnåede forskerne en gennemsnitlig tinoxidnanokrystalstørrelse på kun 2,5 nm, hvilket er væsentligt mindre end den tidligere opnåede 4 nm størrelse. Den lille størrelse mindsker deformationen forårsaget af lithiumlegering, hvilket igen forbedrer opladnings-/afladningscyklussens ydeevne.

For at demonstrere kompositmaterialernes ydeevne i batterier, forskerne brugte grafen-tinoxidet til at fremstille to typer lithium-ion-anoder:grafenoxid med en tinoxidbelægning, og grafenoxid med en belægning af tinoxid og tin. Begge anoder udviste en høj kapacitet (startende ved omkring 1500 mAhg ^-1 ) der overstiger den forudsagte teoretiske kapacitet, selvom det faldt til omkring 700 mAhg ^-1 efter 90 cyklusser. Begge anoder udviste også en stabil ladnings-/afladningscyklerbarhed på grund af den intime kontakt mellem den ledende grafen og meget små tinoxidnanokrystaller. Kompositten uden tin udviste en højere opladningskapacitet, men lidt lavere stabilitet efter forlænget opladning/afladningscyklus sammenlignet med kompositten belagt med både tinoxid og tin, som forskerne tilskriver en forskel i termisk behandling frem for forskellen i sammensætning.

Lev forklarede, hvordan grafen-tinoxid-anoderne passer ind i det store billede af den nuværende lithium-ion-batteriforskning.

"Lithium-ion-batterier er udviklet i flere parallelle retninger, målrette forbedringer i ladekapaciteten, specifik energitæthed, opladnings- og afladningshastigheder, batterilevetid og opladning falmning, batterisikkerhed, og frem for alt batteriomkostninger, hvilket kræver en billig fremstillingsproces fra billige råvarer, " sagde han. "Hver anvendelse af opladelige batterier bør have en anden optimeringsmålfunktion, hvilket resulterer i en anden cellesammensætning. For eksempel, opladningsfading tolereres forskelligt i legetøj og smartphones, og de to forskellige forbrugerpopulationer vil være villige til at betale forskelligt for yderligere batterilevetid.

"Vores nye tilgang retter sig kun mod to af disse aspekter:Overlegen ladekapacitet, som er over det dobbelte af grafitanoder, og lave omkostninger, som kommer til udtryk i billige råvarer og vådkemibehandling."

I fremtiden, forskerne planlægger at udvide deres forskning til andre elektrodesammensætninger, der kan drage fordel af hydrogenperoxid sol-gel-behandling.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.