Aluminium kan give et stort løft til kapacitet og kraft af lithium-ion-batterier

Et stort problem står over for elektroder i genopladelige batterier, når de gennemgår gentagne cyklusser med opladning og afladning, er, at de skal udvide og krympe under hver cyklus - nogle gange fordobling i volumen, og derefter skrumpe tilbage. Dette kan føre til gentagen afskaffelse og reformering af dets "hud" -lag, der forbruger lithium irreversibelt, forringe batteriets ydeevne over tid.

Nu har et team af forskere ved MIT og Tsinghua University i Kina fundet en ny vej udenom dette problem:Oprettelse af en elektrode lavet af nanopartikler med en solid skal, og en "æggeblomme" indeni, der kan ændre størrelse igen og igen uden at påvirke skallen. Innovationen kan drastisk forbedre cyklussen, holdet siger, og giver et dramatisk løft i batteriets kapacitet og effekt.

De nye fund, som bruger aluminium som nøglemateriale til lithium-ion-batteriets negative elektrode, eller anode, er rapporteret i journalen Naturkommunikation , i et papir af MIT -professor Ju Li og seks andre. Brugen af ​​nanopartikler med en æggeblomme i aluminium og en titandioxidskal har vist sig at være "den høje satsningsmester blandt anoder med høj kapacitet, "rapporterer holdet.

De fleste nuværende lithium-ion-batterier-den mest udbredte form for genopladelige batterier-bruger anoder lavet af grafit, en form for kulstof. Grafit har en opladningskapacitet på 0,35 ampere-timer pr. Gram (Ah/g); i mange år, forskere har undersøgt andre muligheder, der ville give større energilagring for en given vægt. Lithium metal, for eksempel, kan lagre cirka 10 gange så meget energi pr. gram, men det er ekstremt farligt, i stand til at kortslutte eller endda tage ild. Silicium og tin har meget høj kapacitet, men kapaciteten falder ved høje opladnings- og afladningshastigheder.

Aluminium er en billig løsning med en teoretisk kapacitet på 2 Ah/g. Men aluminium og andre materialer med høj kapacitet, Li siger, "udvide meget, når de når høj kapacitet, når de absorberer lithium. Og så krymper de, ved frigivelse af lithium. "

Denne ekspansion og sammentrækning af aluminiumpartikler genererer stor mekanisk belastning, hvilket kan få elektriske kontakter til at afbryde. Også, den flydende elektrolyt i kontakt med aluminium vil altid nedbrydes ved de nødvendige ladnings-/afladningsspændinger, danner en hud kaldet fast-elektrolytinterfase (SEI) lag, hvilket ville være ok, hvis ikke den gentagne store volumenudvidelse og krympning, der får SEI -partikler til at kaste. Som resultat, tidligere forsøg på at udvikle en aluminiumelektrode til lithium-ion-batterier var mislykkedes.

Det var her, ideen om at bruge lukket aluminium i form af en nanopartikel med æggeblomme kom ind. I nanoteknologi branchen, der er en stor forskel mellem det, der kaldes "core-shell" og "yolk-shell" nanopartikler. Førstnævnte har en skal, der er bundet direkte til kernen, men partikler af æggeblomme har et tomrum mellem de to-svarende til, hvor hvidt af et æg ville være. Som resultat, "æggeblomme" -materialet kan ekspandere og trække sig frit sammen, med ringe effekt på dimensionerne og stabiliteten af ​​"skallen".

"Vi lavede en titaniumoxidskal, "Li siger, "der adskiller aluminiumet fra den flydende elektrolyt" mellem batteriets to elektroder. Skallen udvider eller krymper ikke meget, han siger, så SEI -belægningen på skallen er meget stabil og falder ikke af, og aluminium indvendigt er beskyttet mod direkte kontakt med elektrolytten.

Holdet planlagde det oprindeligt ikke sådan, siger Li, Battelle Energy Alliance -professor i nuklear videnskab og teknik, der har en fælles ansættelse i MIT's Institut for Materialevidenskab og Teknik.

"Vi fandt frem til metoden serendipitøst, det var en tilfældig opdagelse, "siger han. Aluminiumpartiklerne brugte de, som er omkring 50 nanometer i diameter, naturligvis have et oxideret lag af aluminiumoxid (Al2O3). "Vi havde brug for at slippe af med det, fordi det ikke er godt for elektrisk ledningsevne, "Siger Li.

De endte med at konvertere aluminiumoxidlaget til titania (TiO2), en bedre leder af elektroner og lithiumioner, når den er meget tynd. Aluminiumspulvere blev anbragt i svovlsyre mættet med titaniumoxysulfat. Når aluminiumoxidet reagerer med svovlsyre, overskydende vand frigives, som reagerer med titaniumoxysulfat til dannelse af en fast skal af titanhydroxid med en tykkelse på 3 til 4 nanometer. Hvad der er overraskende er, at selvom denne solide skal dannes næsten øjeblikkeligt, hvis partiklerne forbliver i syren i et par timer mere, aluminiumkernen krymper kontinuerligt for at blive en 30-nm-tværs "æggeblomme, ", som viser, at små ioner kan komme igennem skallen.

Partiklerne behandles derefter for at få de sidste aluminium-titania (ATO) æggeblommeskalpartikler. Efter at have været testet gennem 500 opladnings-afladningscyklusser, titania -skallen bliver lidt tykkere, Li siger, men indersiden af ​​elektroden forbliver ren uden opbygning af SEI'erne, beviser, at skallen fuldstændigt omslutter aluminiumet, samtidig med at litiumioner og elektroner kan komme ind og ud. Resultatet er en elektrode, der giver mere end tre gange kapaciteten af ​​grafit (1,2 Ah/g) ved en normal opladningshastighed, Siger Li. Ved meget hurtige opladningshastigheder (seks minutter til fuld opladning), kapaciteten er stadig 0,66 Ah/g efter 500 cyklusser.

Materialerne er billige, og fremstillingsmetoden kunne være enkel og let skalerbar, Siger Li. Til applikationer, der kræver et batteri med høj effekt og energitæthed, han siger, "Det er nok det bedste anodemateriale, der findes." Fuld celletest med lithium jernphosphat som katode har været vellykket, angiver, at ATO er ret tæt på at være klar til rigtige applikationer.

"Disse æggeblommeskalpartikler viser meget imponerende ydeevne i laboratorietestning, "siger David Lou, lektor i kemisk og biomolekylær teknik ved Nanyang Technological University i Singapore, som ikke var involveret i dette arbejde. "Til mig, det mest attraktive punkt i dette arbejde er, at processen fremstår enkel og skalerbar. "

Der er meget arbejde på batteriområdet, der bruger "kompliceret syntese med sofistikerede faciliteter, "Lou tilføjer, men sådanne systemer "har usandsynligt indflydelse på rigtige batterier. ... Enkle ting har reel indflydelse på batterifeltet."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.