V ďalšej generácii lítiových batérií sa použije nový typ anódy na báze olova

Lítium-iónové batérie poskytujú energiu pre všetky zariadenia, od smartfónov cez notebooky až po elektrické vozidlá. Vedci z celého sveta hľadali nové a vylepšené komponenty na výrobu lepších batérií pre tieto a ďalšie aplikácie.

Vedci z Argonne National Laboratory Ministerstva energetiky USA (DOE) oznámili novú elektródu navrhnutú pre lítium-iónové batérie s použitím lacných materiálov, ako je olovo a uhlík. Medzi prispievateľov k tomuto dôležitému objavu patria aj vedci z Northwestern University, Brookhaven National Laboratory a Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

Eungje Lee, hlavný autor a materiálový vedec chemickej vedy a inžinierstva (CSE) na Argonne University, uviedol: „Náš výskum má vzrušujúce dôsledky pre navrhovanie lacných, vysokovýkonných a udržateľných lítium-iónových batérií, ktoré môžu poskytnúť energiu pre hybridné a všetky elektrické vozidlá."

Princíp činnosti lítium-iónových batérií je vložiť lítiové ióny do anódy počas nabíjania a odstrániť ich počas vybíjania. Súčasná grafitová anóda môže podstúpiť tisíce takýchto cyklov vybitia náboja, ale zdá sa, že dosiahla svoj limit, pokiaľ ide o kapacitu skladovania energie.

Lee povedal: "Rozhodli sme sa študovať olovo ako náhradu za grafit ako anódový materiál. Olovo je obzvlášť atraktívne, pretože je lacné aj lacné. Navyše, vďaka dlhej histórii olovených batérií poskytujúcich pomocné napájanie pre automobily , má kompletný dodávateľský reťazec a je jedným z najviac recyklovaných materiálov na svete. V Spojených štátoch je aktuálna miera obnovy olova 99 %.

Li dodal: "Naša nová anóda môže poskytnúť nový zdroj príjmov pre veľký priemysel, ktorý sa v súčasnosti zaoberá výrobou a recykláciou olovených batérií."

Anóda tímu nie je obyčajná olovená doska, ale nespočetné množstvo mikroskopických častíc so zložitými štruktúrami: olovené nanočastice vložené do uhlíkovej matrice a obklopené tenkou vrstvou oxidu olovnatého. Hoci táto štruktúra znie zložito, tím vynašiel jednoduchú, nízkonákladovú výrobnú metódu.

"Naša metóda zahŕňa zmiešanie veľkých častíc oxidu olovnatého s uhlíkovým práškom a niekoľko hodín oscilácie, kým sa nevytvoria mikroskopické častice s požadovanou štruktúrou jadro-plášť," vysvetlil Christopher Johnson, hlavný výskumník projektu a vynikajúci výskumník v Argonne, CSE.

Testy vykonané v laboratórnych batériách s viac ako 100 cyklami nabíjania a vybíjania ukázali, že kapacita akumulácie energie novej nanokompozitnej anódy na báze olova je dvojnásobná oproti súčasnej grafitovej anóde (štandardizované pre rovnakú hmotnosť). Stabilný výkon počas procesu cyklovania je možný, pretože malé veľkosti častíc môžu zmierniť napätie, zatiaľ čo uhlíková matrica poskytuje požadovanú vodivosť a pôsobí ako nárazník, aby sa zabránilo poškodeniu objemovej expanzie počas procesu cyklovania. Výskumný tím tiež zistil, že pridanie malého množstva fluóretylkarbonátu do štandardného elektrolytu výrazne zlepšuje výkon.

Výskumníci študovali mechanizmy nabíjania a vybíjania anódy v GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS) prevádzkovanom Chicagskou univerzitou so sídlom v Argone, úradom DOE Science User Facility Office. Prostredníctvom synchrotrónovej röntgenovej difrakcie sú schopné sledovať fázový prechod materiálov negatívnych elektród počas nabíjania a vybíjania. Tieto výsledky charakterizácie v kombinácii s výsledkami zozbieranými Centrom pre charakterizáciu atómov a nanoúrovní Severozápadnej univerzity a Národným synchrotrónovým svetelným zdrojom II DOE v Brookhavene odhaľujú elektrochemické reakcie, ktoré sa vyskytujú medzi iónmi olova a lítia počas nabíjania a vybíjania. predtým neznámy.

Lee povedal: "Tento základný pohľad môže byť dôležitý pre pochopenie reakčného mechanizmu medzi olovenými a kremíkovými anódami."

Silikónová anóda je ďalšou nízkonákladovou a vysokovýkonnou voľbou pre ďalšiu generáciu lítium-iónových batérií.

Johnson povedal: "Náš objav spochybňuje súčasné chápanie tohto materiálu elektród." Náš objav tiež poskytuje vzrušujúce dôsledky pre navrhovanie lacných, vysokovýkonných anódových materiálov na prepravu a pevné skladovanie energie, ako sú záložné zdroje energie pre elektrickú sieť. "

Dokument tímu bol publikovaný v nedávno publikovaných Advanced Functional Materials.