Een team van onderzoekers van de Shinshu University in Nagano, Japan is nu dichter bij een dunne, lithium-ionbatterij met hoge capaciteit die de deur zou kunnen openen naar betere energieopslagsystemen voor elektrische voertuigen. Het onderzoeksteam werd geleid door professor Katsuya Teshima, directeur van het Center for Energy and Environmental Science (CEES) aan de Shinshu University in Japan. Ze publiceerden hun inzichten in augustus online in Wetenschappelijke rapporten .

"Lithium-ionbatterijen zijn veelbelovende energieopslagsystemen voor elektrische voertuigen die relatief hoge energiedichtheden vereisen, " zei auteur Nobuyuki Zettsu, een professor in de CEES en in de afdeling Materiaalchemie aan de Shinshu University. "Echter, hun hoge bedrijfsspanningen resulteren gewoonlijk in de oxidatieve ontleding van het elektrodeoppervlak, die vervolgens verschillende nevenreacties bevordert."

Lithium-ionbatterijen slaan veel energie op, maar de kracht die nodig is om de batterij de energie te laten verspreiden is te veel - zo veel, in feite, dat de resulterende schade ervoor zorgt dat de batterij opslagcapaciteit verliest.

Om dit probleem te bestrijden, Zettsu en collega's onderzochten de elektrische en elektrochemische eigenschappen van de hoogspanning (> 4,8 V, vs Li+/Li) kathode, waar de elektronen de batterijcel binnenkomen.

"Veel onderzoekers hebben geprobeerd de waargenomen capaciteitsvermindering te verminderen door het directe contactgebied te verkleinen, "Zettsu zei, wijzend op onderzoeksprojecten waarbij wetenschappers het oppervlak van de kathode met verschillende materialen bedekten in een poging om erosie te verminderen. "Er zijn verschillende fundamentele onderzoeken uitgevoerd om de effecten van de modificatie van de oppervlaktecoating te onderzoeken; geen van hen leidde tot een aanzienlijke prestatieverbetering van op hoogspanningskathoden gebaseerde batterijcellen."

Zettsu heeft mogelijk het tij op oppervlaktemodificatoren gekeerd door het gebruik van een zelf-geassembleerde monolaag. Zijn team bracht een ultradunne coating van fluoralkylisilaan aan op het oppervlak van de kathoden. fluoralkylisiaan, een soort siliconen, organiseert zichzelf in de meest efficiënte opstelling om lithiumionen te geleiden en elektronen te isoleren terwijl ze slechts één atoom dik blijven.

"We ontdekten... dat het bekleden van het oppervlak van het actieve materiaal met een zelf-geassembleerde monolaag... efficiënt transport binnen de elektroden bevorderde, terwijl ook de nevenreacties die optreden bij de elektrode en het elektrolyt-interface worden onderdrukt, "Zei Zettsu. "Deze coating zorgde voor een verbetering van zowel de vermogensdichtheid als de cyclability in hoogspannings-lithium-ionbatterijen."

De onderzoekers zagen dat het directe contact tussen de kathode en de elektrolyt die de batterij binnenkwam geminimaliseerd werd, en dat de capaciteit van de batterij niet achteruitging, zelfs niet nadat hij honderd keer was gefietst.

"De gedeponeerde zelf-geassembleerde monolaagcoatings verminderden de activeringsbarrière voor de lithiumionoverdracht en gestabiliseerde ionen nabij het oppervlak, die een positieve invloed had op de elektrochemische reacties die optreden op het grensvlak tussen de elektrode en de elektrolyt, "Zei Zettsu. "De coatings voor oppervlaktestabilisatie vertegenwoordigen een baanbrekende technologie voor de ontwikkeling van hoogspanningskathodematerialen zonder de beperking van het elektrochemische dilemma van efficiëntie versus stabilisatie."

Echter, Zettsu zei, de volledige effecten van de oppervlaktecoating op het volledige batterijsysteem moeten in meer detail worden onderzocht om eventuele negatieve bijwerkingen beter te begrijpen.

"Onze resultaten kunnen nieuwe richtingen geven voor het ontwerpen van lithium-ionbatterijen op basis van hoogspanningssystemen met superieure elektrochemische prestaties, ' zei Zettsu.

Zettsu is van plan om deze technologie voor oppervlaktebehandeling tegen 2022 op de markt te brengen in samenwerking met auto- en celfabrikanten, met als doel het creëren van energierijke batterijen die ook nog eens milieuvriendelijk zijn.

"Vanwege de wereldwijde milieuregelgeving, de drang naar elektrische en hybride auto's vordert gestaag. Het prestatieniveau dat vereist is voor lithium-ionbatterijen is zeer hoog, "Zei Zettsu. "Momenteel, we werken aan de productie van echte batterijcellen voor plug-in hybride voertuigen en batterij-elektrische voertuigen met behulp van het coatingproces en experimenten in automatische rijmodi."