Redesign af lithium-ion-batterianoder for bedre ydeevne

Forskere ved Argonne National Laboratory har gjort fremskridt i retning af et lithium-ion-batteri med højere kapacitet for at imødekomme forbrugernes stigende efterspørgsel.

Med det voksende antal elektriske køretøjer på vejene og en stigende afhængighed af forbrugerelektronik, efterspørgslen har aldrig været større efter udvikling af lithium-ion-batterier (LIB'er), der kan opretholde en højere energikapacitet, eller mængden af ​​opladning, der er gemt i batteriet.

En måde at øge den samlede energikapacitet af LIB'er er at øge anodens energikapacitet, eller den negative elektrode. I de sidste mange årtier, state-of-the-art LIB'er er blevet fremstillet med grafitanoder. Grafits energikapacitet er stabil, hvilket betyder at kapaciteten ikke falmer, og materialet revner ikke selv efter mere end 1000 fulde opladnings-afladningscyklusser. Imidlertid, grafit har en lav teoretisk energikapacitet, som ikke kan imødekomme de stigende energikrav i nutidens samfund.

I en ny undersøgelse, et hold ledet af forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har demonstreret den øgede kapacitet af en potentiel ny, anodemateriale med højere kapacitet. Dette kompositmateriale var oprindeligt udviklet til natrium-ion-batterier, som bruges sjældnere kommercielt end lithium-ion-batterier. Denne nye undersøgelse søgte at anvende materialet på lithium-ion-batterier.

For nylig, to materialer har været på forkant med forskningen for næste generations batterianoder – silicium og fosfor. Både silicium og fosfor har en teoretisk energikapacitet, der er mindst 10 gange større end grafit, hvilket betyder, at de kunne overgå energikapacitetskravene til LIB'er. Ifølge senior materialeforsker og Argonne Distinguished Fellow Khalil Amine, ledende forsker i Argonne-undersøgelsen, silicium har to store problemer. Det første problem involverer udvidelsen i høj volumen, når silicium lithieres under opladning, hvilket sandsynligvis ville få anodematerialet til at bryde fra hinanden. Revner ville føre til tab af energikapacitet, forklarede han.

Det andet spørgsmål involverer et udtryk kaldet initial coulombic efficiency (ICE). Når et batteri gennemgår en fuld opladnings-afladningscyklus, batteriets ladeudgang skal teoretisk svare til ladeindgangen. Imidlertid, noget energi i ladningsoutputtet går tabt til lithium, der reagerer med anodematerialet. At udvikle en praktisk LIB, forholdet mellem ladningsoutput sammenlignet med ladningsinput på den første ladnings-afladningscyklus bør være over 90%. Dette forhold er ICE. Med silicium, ICE er mindre end 80 %, som Amine forklarede gør det umuligt til praktisk brug.

I deres forskning, Amine, Argonne kemiker Gui-Liang Xu, og deres kolleger udforskede to potentielle typer af fosfor:sort og rød fosfor. "Fosfor har en meget høj energikapacitet, " sagde Xu. "Da vi udforskede materialet, vi fandt ud af, at vores anodemateriale har en meget høj ICE på mere end 90 %."

En ICE på mere end 90% viser, at der forekommer meget få sidereaktioner mellem anodematerialet og elektrolytten, så der går ikke meget lithium tabt under den første opladning og afladning.

Holdet skabte deres egen anodekomposit, der primært består af sort fosfor - en meget ledende form for fosfor med en høj teoretisk kapacitet - og ledende kulstofforbindelser.

For at skabe kompositten, forskerne malede det store fosformateriale og det ledende kulstof til partikler på størrelse med mikrometer, hvilket øger anodens tæthed.

Når man måler livscyklusser, eller det samlede antal gange et batteri kan oplades og aflades, Amine og hans kolleger henvendte sig til Argonnes Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanoscale Materials (CNM), både DOE Office of Science brugerfaciliteter. Anvender in-situ lagerring lyskilde røntgendiffraktion ved APS og in-situ scanning elektronmikroskopi ved CNM, holdet observerede anodens fase- og volumentransformation under gentagen opladning og afladning.

"Argonne har unikke evner tilgængelige hos APS og CNM, " sagde Xu. "Med lyskilden til opbevaringsringen, vi kan undersøge fasetransformationen under lithiation og delithiation, som giver os mulighed for at se reaktionens reversibilitet."

Efter at have vist stabiliteten af ​​den sorte fosforkomposit, holdet undersøgte en komposit med rødt fosfor i stedet for sort fosfor. sort fosfor, selvom det er væsentligt mere ledende end rødt fosfor, er for dyrt til praktisk brug på markedet. Med den røde fosforkomposit, hvilket er en økonomisk bæredygtig løsning, batteriet viste en lignende stabilitet og høj ICE, med en meget høj praktisk kapacitet.

Holdet arbejder i øjeblikket på et kompositmateriale, der hovedsageligt er lavet af rødt fosfor, og materialet viser lovende resultater, sagde Xu. "Vi forsøger at indlede samarbejde med industripartnere, så vi kan opskalere dette materiale, så det kan kommercialiseres i fremtiden."

Forskningspapiret om undersøgelsen, "Et praktisk fosforbaseret anodemateriale til højenergi lithium-ion batterier, " dukkede op online den 26. april, 2020, i Nano Energy.