Spring mod robuste metalphosphidelektroder uden bindemiddel til Li-ion-batterier

Forskere ved Toyohashi University of Technology har med succes fremstillet et bindemiddelfri tinphosphid (Sn) ₄ P ₃ )/carbon (C) kompositfilmelektrode til lithium-ion-batterier via aerosolaflejring. Den Sn ₄ P ₃ /C-partikler blev direkte størknet på et metalsubstrat via stødkonsolidering, uden at påføre et bindemiddel. Opladnings- og afladningscyklusstabiliteten blev forbedret af både kompleksbundet kulstof og kontrolleret elektrisk potentialevindue til lithiumekstraktion. Denne opdagelse kan hjælpe med at realisere avancerede lithium-ion-batterier med højere kapacitet.

Lithium-ion (Li-ion) batterier er meget brugt som strømkilde i bærbare elektroniske enheder. De har for nylig tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af deres potentiale til at blive ansat i stor skala som strømkilde til elektriske køretøjer og plugin-hybrid-elbiler, og som stationære energilagringssystemer til vedvarende energi. For at realisere avancerede Li-ion-batterier med højere energitæthed, anodematerialer med højere kapacitet er påkrævet. Selvom nogle få Li-legeringer såsom Li-Si og Li-Sn, hvis teoretiske kapacitet er meget højere end grafits (teoretisk gravimetrisk kapacitet =372 mAh/g), er blevet grundigt undersøgt, de resulterer generelt i dårlig cykelstabilitet på grund af den store variation i volumen under opladnings- og afladningsreaktioner.

Tinphosphid (Sn ₄ P ₃ , teoretisk gravimetrisk kapacitet =1255 mAh/g) med en lagdelt struktur, generelt brugt som et legeringsbaseret anodemateriale med høj kapacitet til Li-ion-batterier, har et gennemsnitligt driftspotentiale på - 0,5 V vs. Li/Li ⁺ . Rapporter indikerer, at kompleksdannelse af kulstofmaterialer med nanostruktureret Sn ₄ P ₃ partikler forbedrer cykelstabiliteten betydeligt. Generelt, elektroder, der anvendes i batterier, fremstilles ved at belægge en opslæmning bestående af elektrodeaktive materialer, ledende kulstoftilsætningsstoffer, og bindemidler på metalfolier. For kulstofkompleksbundet Sn ₄ P ₃ (Sn ₄ P ₃ /C) anoder (såsom dem, der er rapporteret i litteraturen), vægtfraktionen af ​​de aktive materialer i en elektrode er reduceret med ca. 60 - 70 % på grund af brugen af ​​betydelige mængder af ledende additiver og bindemidler for at opnå stabil cyklus. Følgelig, den gravimetriske specifikke kapacitet pr. elektrodevægt (inklusive dem af ledende kultilsætningsstoffer og bindemidler) er reduceret betydeligt.

Forskere ved Institut for Elektrisk og Elektronisk Informationsteknik, Toyohashi University of Technology, har med succes fremstillet en bindemiddelfri Sn ₄ P ₃ /C kompositfilmelektrode til Li-ion batterianoder via aerosolaflejring (AD). I denne proces, den Sn ₄ P ₃ partikler kompleksbindes med acetylensort ved hjælp af en simpel kugleformalingsmetode; den opnåede Sn ₄ P ₃ /C-partikler størknes derefter direkte på et metalsubstrat via stødkonsolidering uden tilsætning af andre ledende additiver eller bindemidler. Denne metode muliggør forbedring af fraktionen af ​​Sn ₄ P ₃ i det sammensatte til over 80%. Desuden, strukturel ændring af kompositelektroden reduceres, og cyklusstabiliteten er forbedret for både kompleksbundet kulstof og kontrolleret elektrisk potentialevindue til lithiumekstraktionsreaktion. Den Sn ₄ P ₃ /C-kompositfilm fremstillet ved AD-processen opretholder gravimetriske kapaciteter på ca. 730 mAh g _-1 , 500 mAh g _-1 , og 400 mAh g _-1 på 100 _th , 200 _th , og 400 _th cyklusser, henholdsvis.

Den første forfatter Toki Moritaka er citeret for at sige, "Selvom det var vanskeligt at optimere aflejringsforholdene, nyttige oplysninger om forbedring af cykelstabiliteten af ​​Sn ₄ P ₃ /C-kompositfilmelektrode fremstillet ved AD-processen blev opnået. Det kompleksbundne kulstof fungerer ikke kun som en buffer til at undertrykke sammenbrud af elektroder forårsaget af den store variation i volumen af ​​Sn ₄ P ₃ , men også som en elektronisk ledningsvej blandt de forstøvede aktive materialepartikler i kompositten."

"Denne proces er et effektivt middel til at øge kapacitetsværdien pr. elektrodevægt. Vi mener, at der er mulighed for forbedring af den elektrokemiske ydeevne med størrelsen og indholdet af kulstoffet i Sn ₄ P ₃ /C brugt i kompositfilmfremstilling ved AD-processen. Vi forsøger nu at optimere det komplekse kulstofindhold og øge den sammensatte filmtykkelse, " citerer lektor Ryoji Inada.

Resultaterne af denne undersøgelse kan bidrage til realiseringen af ​​avancerede Li-ion-batterier med højere kapacitet. I øvrigt, fordi ikke kun Li, men Na også kan lagres i og udvindes fra Sn ₄ P ₃ ved lignende legerings- og aflegeringsreaktioner, den Sn ₄ P ₃ elektrode kan bruges i næste generation af Na-ion-batterier til meget lavere omkostninger.