Forskere udvikler billigt, bedre ydende lithium-ion-batterier

Forskere ved USC Viterbi School of Engineering har forbedret ydeevnen og kapaciteten af ​​lithiumbatterier ved at udvikle bedre ydende, billigere materialer til brug i anoder og katoder (negative og positive elektroder, henholdsvis).

Lithium-ion-batterier er en populær type genopladeligt batteri, der almindeligvis findes i bærbar elektronik og elektriske eller hybridbiler. Traditionelt, lithium-ion-batterier indeholder en grafitanode, men silicium er for nylig dukket op som en lovende anoderstatning, fordi det er det næstmest udbredte grundstof på jorden og har en teoretisk kapacitet på 3600 milliampere timer pr. gram (mAh/g), næsten 10 gange kapaciteten af ​​grafit. Kapaciteten af ​​et lithium-ion-batteri bestemmes af, hvor mange lithium-ioner, der kan lagres i katoden og anoden. Brug af silicium i anoden øger batteriets kapacitet dramatisk, fordi ét siliciumatom kan binde op til 3,75 lithiumioner, hvorimod der med en grafitanode er brug for seks kulstofatomer for hvert lithiumatom.

USC Viterbi-teamet udviklede en omkostningseffektiv (og derfor kommercielt levedygtig) siliciumanode med en stabil kapacitet over 1100 mAh/g i forlængede 600 cyklusser, hvilket gør deres anode næsten tre gange mere kraftfuld og længere holdbar end en typisk kommerciel anode.

Indtil for nylig, den vellykkede implementering af siliciumanoder i lithium-ion-batterier stod over for én stor hindring:den alvorlige pulverisering af elektroden på grund af den volumenudvidelse og tilbagetrækning, der opstår ved brug af silicium. Sidste år, det samme team ledet af USC Viterbi elektroingeniørprofessor Chongwu Zhou udviklede et vellykket anodedesign ved hjælp af porøse siliciumnanotråde, der gjorde det muligt for materialet at udvide sig og trække sig sammen uden at gå i stykker, effektivt løse pulveriseringsproblemet.

Denne løsning gav et nyt problem, imidlertid:metoden til fremstilling af nanostruktureret silicium var uoverkommelig dyr for kommerciel vedtagelse.

Uafskrækket, kandidatstuderende Mingyuan Ge og andre medlemmer af Zhou's team byggede videre på deres tidligere arbejde med at udvikle en omkostningseffektiv metode til fremstilling af porøse siliciumpartikler gennem de enkle og billige metoder til kuglefræsning og pletætsning.

"Vores metode til fremstilling af nanoporøse siliciumanoder er lavpris og skalerbar til masseproduktion i industriel fremstilling, hvilket gør silicium til et lovende anodemateriale til næste generation af lithium-ion-batterier, " sagde Zhou. "Vi mener, at det er den mest lovende tilgang til at anvende siliciumanoder i lithium-ion-batterier for at forbedre kapacitet og ydeevne."

Ud over, kandidatstuderende Jiepeng Rong og andre teammedlemmer udviklede en metode til belægning af svovlpulver med grafenoxid for at forbedre ydeevnen i lithium-svovl-batterier. Svovl har været en lovende katodekandidat i mange år på grund af sin høje teoretiske kapacitet, som er over 10 gange større end traditionelle metaloxid- eller fosfatkatoder. Elementært svovl er også rigeligt, billig, og har lav toksicitet. Imidlertid, den praktiske anvendelse af svovl er blevet i høj grad hæmmet af udfordringer, herunder dårlig ledningsevne og dårlig cyklebarhed, hvilket betyder, at batteriet mister strøm efter hver opladning og dør efter et lavere antal genopladninger.

Deres forskning viste, at en grafenoxidbelægning over svovl kan løse begge problemer. Grafenoxid har unikke egenskaber såsom højt overfladeareal, kemisk stabilitet, mekanisk styrke og fleksibilitet, og bruges derfor almindeligvis til at belægge kernematerialer i produkter som sensorer eller solceller for at forbedre deres ydeevne. Holdets grafenoxidbelægning forbedrede svovlkatodens kapacitet til 800 mAh/g for 1000 cyklusser af opladning/afladning, hvilket er over 5 gange kapaciteten af ​​kommercielle katoder.

Zhou og hans team offentliggjorde for nylig deres resultater om siliciumanoder i Nano bogstaver [1]. Avisen var et samarbejde mellem Zhou, USC Viterbi kandidatstuderende Mingyuan Ge, Jiepeng Rong, og Xin Fang, samt Matthew Mecklenburg fra Center for Elektronmikroskopi og Mikroanalyse ved USC, og forskere fra Kinas Zhejiang University og Lawrence Berkeley National Laboratory. Separat, Zhou, Rong, Ge, og Fang offentliggjorde også resultater i Nano bogstaver på deres metode til nemt at fremstille grafenbelagte svovlkatoder til lithium-ion-batterier [2].

Nu hvor deres separate test af de negative og positive elektroder har givet fremragende resultater, teamet arbejder nu på at teste dem sammen i et komplet batteri. De vil derefter integrere siliciumanoden med svovlkatoden, såvel som med andre traditionelle katodematerialer, for at maksimere lithium-ion-batterikapaciteten og den samlede ydeevne.

"Så vidt vi kan se, vores teknologier med både siliciumanoden og svovlkatoden er blandt de mest omkostningseffektive løsninger og viser derfor løfte om kommercialisering for at lave den næste generation af lithium-ion-batterier til at drive bærbar elektronik og elektriske køretøjer, " sagde USC Viterbi kandidatstuderende Rong.