Brug af brint til at forbedre litiumionbatterier

Lawrence Livermore National Laboratory-forskere har fundet ud af, at lithium-ion-batterier fungerer længere og hurtigere, når deres elektroder er behandlet med brint.

Litiumionbatterier (LIB'er) er en klasse af genopladelige batterityper, hvor litiumioner bevæger sig fra den negative elektrode til den positive elektrode under afladning og tilbage ved opladning.

Den stigende efterspørgsel efter energilagring understreger det presserende behov for højtydende batterier. Flere nøglekarakteristika ved lithium-ion-batteriets ydeevne - kapacitet, spænding og energitæthed - bestemmes i sidste ende af bindingen mellem lithiumioner og elektrodematerialet. Subtile ændringer i strukturen, kemi og form af en elektrode kan i væsentlig grad påvirke, hvor stærkt lithiumioner binder til den.

Gennem eksperimenter og beregninger, Livermore-holdet opdagede, at hydrogenbehandlede grafen-nanoskumelektroder i LIB'erne viser højere kapacitet og hurtigere transport.

"Disse resultater giver kvalitativ indsigt i at hjælpe med design af grafen-baserede materialer til højeffektelektroder, " sagde Morris Wang, en LLNL-materialeforsker og medforfatter til et papir, der vises i den 5. november-udgave af Nature Videnskabelige rapporter .

Lithium-ion-batterier vokser i popularitet til elektriske køretøjer og rumfartsapplikationer. For eksempel, lithium-ion-batterier er ved at blive en almindelig erstatning for bly-syre-batterier, der historisk har været brugt til golfvogne og nyttekøretøjer. I stedet for tunge blyplader og sure elektrolytter, tendensen er at bruge lette lithium-ion-batteripakker, der kan levere samme spænding som bly-syre-batterier uden at kræve modifikation af køretøjets drivsystem.

Kommercielle anvendelser af grafenmaterialer til energilagringsenheder, herunder lithium -ion -batterier og superkapacitorer, hængs kritisk på evnen til at producere disse materialer i store mængder og til lave omkostninger. Imidlertid, de ofte anvendte kemiske syntesemetoder efterlader betydelige mængder atombrint, hvis virkning på den elektrokemiske ydelse af grafenderivater er vanskelig at bestemme.

Alligevel gjorde Livermore-forskere netop det. Deres eksperimenter og multiskalaberegninger afslører, at bevidst lavtemperaturbehandling af defektrigt grafen med brint faktisk kan forbedre hastighedskapaciteten. Hydrogen interagerer med defekterne i grafen og åbner små huller for at lette lettere lithiumpenetrering, hvilket forbedrer transporten. Yderligere reversibel kapacitet leveres af forbedret lithiumbinding nær kanter, hvor brint er mest sandsynligt at binde.

"Den præstationsforbedringer, vi har set i elektroderne, er et gennembrud, der har virkelige applikationer, " sagde Jianchao Ye, som er postdoc stabsforsker ved laboratoriets afdeling for materialevidenskab, og den førende forfatter til papiret.

At studere involveringen af ​​brint og hydrogenerede defekter i lithiumlagringsevnen af ​​grafen, teamet anvendte forskellige varmebehandlingsbetingelser kombineret med hydrogeneksponering og undersøgte den elektrokemiske ydelse af 3-D) grafen-nanofoam (GNF) elektroder, som hovedsageligt består af defekt grafen. Holdet brugte 3-D grafen nanoskum på grund af deres mange potentielle anvendelser, herunder brintlagring, katalyse, filtrering, isolering, energisorbenter, kapacitiv afsaltning, superkondensatorer og LIB'er.

Den bindemiddelfri karakter af grafen 3D-skum gør dem ideelle til mekanistiske undersøgelser uden komplikationer forårsaget af tilsætningsstoffer.

"Vi fandt en drastisk forbedret hastighedskapacitet i grafen nanoskumelektroder efter hydrogenbehandling. Ved at kombinere de eksperimentelle resultater med detaljerede simuleringer, vi var i stand til at spore forbedringerne til subtile interaktioner mellem defekter og dissocieret brint. Dette resulterer i nogle små ændringer i grafenkemien og -morfologien, som viser sig at have en overraskende stor effekt på ydeevnen, " sagde LLNL videnskabsmand Brandon Wood, der ledede teoriindsatsen på papiret.

Forskningen tyder på, at kontrolleret brintbehandling kan bruges som en strategi til optimering af lithiumtransport og reversibel lagring i andre grafenbaserede anodematerialer.