En ny type blybasert anode vil bli brukt i neste generasjon litiumbatterier

Litiumion-batterier gir strøm til alle enheter, fra smarttelefoner til bærbare datamaskiner til elektriske kjøretøy. Forskere over hele verden har lett etter nye og forbedrede komponenter for å produsere bedre batterier for disse og andre bruksområder.

Forskere ved Argonne National Laboratory ved US Department of Energy (DOE) har rapportert om en ny elektrode designet for litiumion-batterier som bruker rimelige materialer som bly og karbon. Bidragsyterne til denne viktige oppdagelsen inkluderer også forskere fra Northwestern University, Brookhaven National Laboratory og Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

Eungje Lee, sjefsforfatter og materialforsker for kjemivitenskap og ingeniørvitenskap (CSE) ved Argonne University, uttalte: "Vår forskning har spennende implikasjoner for utforming av rimelige, høyytelses- og bærekraftige litiumionbatterier som kan gi kraft til hybride batterier. og alle elektriske kjøretøy."

Arbeidsprinsippet til litiumionbatterier er å sette inn litiumioner i anoden under lading og fjerne dem under utlading. Den nåværende grafittanoden kan gjennomgå tusenvis av slike ladningsutladningssykluser, men den ser ut til å ha nådd sin grense når det gjelder energilagringskapasitet.

Lee sa: "Vi har bestemt oss for å studere bly som en erstatning for grafitt som et anodemateriale. Bly er spesielt attraktivt fordi det er både billig og rimelig. I tillegg, på grunn av den lange historien med bly-syrebatterier som gir hjelpekraft til biler. , den har en komplett forsyningskjede og er et av de mest resirkulerte materialene i verden I USA er den nåværende blygjenvinningsgraden 99 %.

Li la til, "Vår nye anode kan gi en ny inntektskilde for den store industrien som for tiden driver med produksjon og resirkulering av blysyrebatterier."

Anoden til teamet er ikke en vanlig blyplate, men utallige mikroskopiske partikler med komplekse strukturer: blynanopartikler innebygd i en karbonmatrise og omgitt av et tynt skall av blyoksid. Selv om denne strukturen høres kompleks ut, har teamet oppfunnet en enkel, rimelig produksjonsmetode.

"Vår metode innebærer å blande store blyoksidpartikler med karbonpulver og oscillere i flere timer til mikroskopiske partikler med ønsket kjerne-skallstruktur er dannet," forklarte Christopher Johnson, hovedforsker i prosjektet og fremragende forsker ved Argonne, CSE.

Tester utført i laboratoriebatterier med over 100 ladeutladingssykluser har vist at energilagringskapasiteten til den nye blybaserte nanokomposittanoden er dobbelt så stor som dagens grafittanode (standardisert for samme vekt). Stabil ytelse under syklusprosessen er mulig, da små partikkelstørrelser kan lindre stress, mens karbonmatrise gir den nødvendige ledningsevnen og fungerer som en buffer for å forhindre skade på volumutvidelse under syklusprosessen. Forskerteamet fant også at tilsetning av en liten mengde fluoretylkarbonat til standardelektrolytten forbedrer ytelsen betydelig.

Forskere studerte lade- og utladningsmekanismene til anoden ved GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS) som drives av University of Chicago, som ligger i Argona, DOE Science User Facility Office. Gjennom synkrotronrøntgendiffraksjon er de i stand til å spore faseovergangen til negative elektrodematerialer under lading og utlading. Disse karakteriseringsresultatene, kombinert med resultatene samlet inn av Atomic and Nanoscale Characterization Center ved Northwestern University og DOE User Facility National Synchrotron Light Source II i Brookhaven, avslører de elektrokjemiske reaksjonene som oppstår mellom bly og litiumioner under lading og utlading, som var tidligere ukjent.

Lee sa: "Denne grunnleggende innsikten kan være viktig for å forstå reaksjonsmekanismen mellom bly- og silisiumanoder."

Silisiumanode er et annet lavkost- og høyytelsesvalg for neste generasjon litiumion-batterier.

Johnson sa: "Vår oppdagelse utfordrer nåværende forståelse av dette elektrodematerialet." Vår oppdagelse gir også spennende implikasjoner for utforming av rimelige, høyytelses anodematerialer for transport og fast energilagring, for eksempel reservestrømkilder for strømnettet. "

Lagets artikkel ble publisert i det nylig publiserte Advanced Functional Materials.