Het proces van het ontwikkelen van betere oplaadbare batterijen kan troebel zijn, maar er is een voering van aluminiumoxide.

Een dunne laag metaaloxide die door ingenieurs van de Brown School of Engineering van Rice University op gewone kathoden werd aangebracht, onthulde nieuwe fenomenen die zouden kunnen leiden tot batterijen die beter zijn afgestemd op elektrische auto's en robuustere off-grid energieopslag.

De studie in de American Chemical Society's ACS toegepaste energiematerialen beschrijft een voorheen onbekend mechanisme waardoor lithium vast komt te zitten in batterijen, waardoor het aantal keren dat hij op vol vermogen kan worden opgeladen en ontladen, wordt beperkt.

Maar die eigenschap doet niets af aan de hoop dat in sommige situaties, dergelijke batterijen kunnen precies goed zijn.

Het Rice-lab van chemisch en biomoleculair ingenieur Sibani Lisa Biswal vond een goede plek in de batterijen die, door hun opslagcapaciteit niet te maximaliseren, zou kunnen zorgen voor een stabiele en stabiele cyclus voor toepassingen die dit nodig hebben.

Biswal zei dat conventionele lithium-ionbatterijen gebruikmaken van op grafiet gebaseerde anodes met een capaciteit van minder dan 400 milliampère-uur per gram (mAh/g), maar siliciumanoden hebben potentieel 10 keer die capaciteit. Dat heeft een keerzijde:silicium zet uit als het legert met lithium, spanning op de anode. Door het silicium poreus te maken en de capaciteit te beperken tot 1, 000 mAh/g, de testbatterijen van het team zorgden voor stabiel fietsen met nog steeds een uitstekende capaciteit.

"Maximale capaciteit legt veel druk op het materiaal, dus dit is een strategie om capaciteit te krijgen zonder dezelfde mate van stress, " zei Biswal. "1, 000 milliampère uur per gram is nog steeds een grote sprong."

Het team onder leiding van postdoctoraal collega Anulekha Haridas testte het concept van het koppelen van de poreuze, siliciumanoden met hoge capaciteit (in plaats van grafiet) met kathoden van nikkel-mangaan-kobaltoxide (NMC) met hoog voltage. De lithium-ionbatterijen met volledige cel vertoonden een stabiele cyclusbaarheid bij 1, 000 mAh/g gedurende honderden cycli.

Sommige kathoden hadden een laag aluminiumoxide van 3 nanometer (aangebracht via atomaire laagafzetting), en sommigen niet. Die met de aluminiumoxidecoating beschermden de kathode tegen afbraak in aanwezigheid van fluorwaterstofzuur, die zich vormt als zelfs minieme hoeveelheden water de vloeibare elektrolyt binnendringen. Testen toonden aan dat het aluminiumoxide ook de laadsnelheid van de batterij versnelde, waardoor het aantal keren dat het kan worden opgeladen en ontladen wordt verminderd.

Door het snelle lithiumtransport door aluminiumoxide lijkt er sprake te zijn van uitgebreide trapping. zei Haridas. De onderzoekers wisten al mogelijke manieren waarop siliciumanoden lithium vasthouden, waardoor het niet beschikbaar is om apparaten van stroom te voorzien, maar ze zei dat dit het eerste rapport is dat het aluminiumoxide zelf lithium absorbeert tot het verzadigd is. Op dat punt, ze zei, de laag wordt een katalysator voor snel transport van en naar de kathode.

"Dit lithium-invangmechanisme beschermt de kathode effectief door te helpen een stabiele capaciteit en energiedichtheid voor de volledige cellen te behouden, ' zei Haridas.

Co-auteurs zijn Rice afgestudeerde studenten Quan Anh Nguyen en Botao Farren Song, en Rachel Blaser, een onderzoeks- en ontwikkelingsingenieur bij Ford Motor Co. Biswal is een professor in chemische en biomoleculaire engineering en in materiaalkunde en nano-engineering. Ford's University Research Program ondersteunde het onderzoek.