Ny metode øger energitætheden i lithium-batterier

Yuan Yang, assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Columbia Engineering, har udviklet en ny metode til at øge energitætheden af ​​lithium (Li-ion) batterier. Han har bygget en trelagsstruktur, der er stabil selv i den omgivende luft, hvilket gør batteriet både længere holdbart og billigere at fremstille. Arbejdet, som kan forbedre energitætheden af ​​lithiumbatterier med 10-30 %, udgives online i dag i Nano bogstaver .

"Når lithiumbatterier oplades første gang, de mister alt fra 5-20 % energi i den første cyklus, " siger Yang. "Gennem vores design, vi har været i stand til at vinde dette tab tilbage, og vi mener, at vores metode har et stort potentiale til at øge driftstiden for batterier til bærbar elektronik og elektriske køretøjer."

Under den første opladning af et lithiumbatteri efter dets produktion, en del flydende elektrolyt reduceres til en fast fase og belægges på batteriets negative elektrode. denne proces, normalt udføres før batterier sendes fra en fabrik, er irreversibel og sænker den energi, der er lagret i batteriet. Tabet er ca. 10 % for avancerede negative elektroder, men kan nå så højt som 20-30 % for næste generations negative elektroder med høj kapacitet, såsom silicium, fordi disse materialer har stor volumenudvidelse og stort overfladeareal. Det store indledende tab reducerer den opnåelige kapacitet i en fuld celle og kompromitterer dermed gevinsten i energitæthed og cykluslevetid for disse nanostrukturerede elektroder.

Den traditionelle tilgang til at kompensere for dette tab har været at sætte visse lithium-rige materialer i elektroden. Imidlertid, de fleste af disse materialer er ikke stabile i den omgivende luft. Fremstilling af batterier i tør luft, som slet ikke har fugt, er en meget dyrere proces end fremstilling i omgivende luft. Yang har udviklet en ny trelags elektrodestruktur til at fremstille lithierede batterianoder i omgivende luft. I disse elektroder, han beskyttede lithiumet med et lag af polymeren PMMA for at forhindre lithium i at reagere med luft og fugt, og derefter belagt PMMA'en med sådanne aktive materialer som kunstig grafit eller siliciumnanopartikler. PMMA-laget blev derefter opløst i batterielektrolytten, således udsætter lithiumet for elektrodematerialerne. "På denne måde var vi i stand til at undgå enhver kontakt med luft mellem ustabil lithium og en lithieret elektrode, " Yang forklarer, "så den trelagsstrukturerede elektrode kan betjenes i omgivende luft. Dette kunne være et attraktivt fremskridt hen imod masseproduktion af lithierede batterielektroder."

Yangs metode sænkede tabskapaciteten i avancerede grafitelektroder fra 8 % til 0,3 %, og i siliciumelektroder, fra 13 % til -15 %. Tallet på -15 % indikerer, at der var mere lithium end nødvendigt, og det "ekstra" lithium kan bruges til yderligere at forbedre batteriernes levetid, da overskuddet kan kompensere for kapacitetstab i efterfølgende cyklusser. Fordi energitætheden, eller kapacitet, af lithium-ion-batterier er steget 5-7% årligt i løbet af de sidste 25 år, Yangs resultater peger på en mulig løsning til at øge kapaciteten af ​​Li-ion-batterier. Hans gruppe forsøger nu at reducere tykkelsen af ​​polymerbelægningen, så den optager et mindre volumen i lithiumbatteriet, og opskalere sin teknik.

"Denne tre-lags elektrodestruktur er virkelig et smart design, der muliggør behandling af lithiummetalholdige elektroder under omgivende forhold, " bemærker Hailiang Wang, assisterende professor i kemi ved Yale University, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Den oprindelige Coulombic effektivitet af elektroder er en stor bekymring for Li-ion batteriindustrien, og denne effektive og brugervenlige teknik til at kompensere irreversible Li-ion-tab vil tiltrække interesse."