De zoektocht naar een betere lithium-ionbatterij - een die een mobiele telefoon dagenlang zou kunnen laten werken, het bereik van elektrische auto's vergroten en de energieopslag op een net maximaliseren - is een voortdurende zoektocht, maar een recent onderzoek door Canadian Light Source (CLS)-wetenschappers met de National Research Council of Canada (NRC) toonde aan dat het antwoord in de chemie te vinden is.

"Mensen hebben op technisch niveau alles geprobeerd om batterijen te verbeteren, " zei Dr. Yaser Abu-Lebdeh, een senior onderzoeksmedewerker bij het NRC, "maar om hun capaciteit te verbeteren, je moet spelen met de chemie van de materialen."

Lithiumbatterijen hebben elektroden die zijn samengesteld uit grafiet en een bindmiddel dat polyvinylideendifluoride (PVDF) wordt genoemd. legde Abu-Lebdeh uit, die met NRC-collega's en wetenschappers van het CLS aan het onderzoek werkte. Silicium, echter, heeft 10 keer meer lithiumcapaciteit dan grafiet, dus er is aandacht besteed aan het creëren van een composietelektrode gemaakt van zowel silicium als grafiet.

Dit lijkt een haalbare weg te zijn om de energiedichtheid van oplaadbare lithium-ionbatterijen te verhogen, maar de siliciumcomposietbatterijen verliezen tijdens het fietsen heel snel capaciteit; na slechts vijf cycli, hun capaciteit was zelfs lager dan die van grafietelektroden, zelfs voor kleine hoeveelheden silicium in de composieten.

"Het zou een hele uitdaging zijn geweest om het project te voltooien zonder het vermogen van de CLS om de chemie van de interface op nanoschaal te zien, " zegt CLS industrieel wetenschapper Jigang Zhou, een batterij-expert in het onderzoeksteam.

Het team gebruikte verschillende NRC- en CLS-faciliteiten, inclusief elektrochemische testen, scanning elektronenmicroscopie en röntgenspectroscopie, om een ​​nieuwe karakteriseringsmethode voor batterijen te ontwikkelen die de chemie aan het oppervlak van de batterij aantoont. De techniek zou kunnen worden gebruikt voor onderzoek in een verscheidenheid aan oplaadbare batterijen, waar Zhou enthousiast over is.

"Voor mij, de ware schoonheid is dat deze nieuwe karakteriseringsmethode een straal is naar nieuw begrip van zoveel batterijonderzoeksvragen, ' zegt Zhou.

Het team paste hun techniek toe om te begrijpen waarom zelfs een kleine hoeveelheid silicium, in combinatie met grafiet en het bindmiddel, veroorzaakt dat de batterijen verslechteren. Het probleem, ze kwamen erachter, was de ontbinding van het PVDF-bindmiddel tijdens het fietsen van de batterij, die zich voordeed met grafiet-only elektroden ondanks goede batterijprestaties.

hun resultaten, gepubliceerd door de American Chemical Society online in een open access paper, een leidraad bieden voor het ontwerp van meer geschikte bindmiddelen voor samengestelde grafiet/siliciumelektroden, nieuwe polymeren die geen nadelige chemische interactie vertonen met beide componenten, wijzend op de mogelijkheid om de batterijcapaciteit te vergroten door silicium op te nemen.

Abu-Lebdeh verwacht dat de ontwikkeling van nieuwe bindmiddelen zal leiden tot een toenemende toename van het siliciumgehalte, naar een streefcijfer van ongeveer 20 procent. Het resultaat, hij zei, batterijen met een hogere energiedichtheid zouden zijn met drie keer meer capaciteit dan die met elektroden met alleen grafiet. Hij voegde eraan toe dat terwijl het toevoegen van silicium de batterijcapaciteit verhoogt, het verhoogt de kosten niet als het wordt geïntegreerd als een niet-verstorend, drop-in technologie in huidige productieprocessen.

Abu-Lebdeh dankt Zhou en CLS-wetenschapper Jian Wang voor het verschaffen van "het fundamentele begrip dat cruciaal was voor dit werk. Het was echt gezamenlijk onderzoek, en ze zorgden voor een cruciaal stukje van de puzzel."

Abu-Lebdeh beschreef de bevindingen van de onderzoekers als een belangrijke overweging voor de lithium-ionbatterij-industrie die werkt aan kosteneffectieve oplossingen voor de volgende generatie consumentenelektronica, elektrische voertuigen en elektriciteitsnetten.