De meeste bestaande lithium-ionbatterijen (LIB's) integreren grafietanodes, die een capaciteit hebben van ongeveer 350 milliampère uur (mAh) per gram. De capaciteit van siliciumanoden is bijna 10 keer hoger dan die van hun grafiettegenhangers (ongeveer 2, 800 mAh per gram), en zou dus theoretisch de ontwikkeling van compactere en lichtere op lithium gebaseerde batterijen mogelijk kunnen maken.

Ondanks hun hogere capaciteit, siliciumanoden hebben tot nu toe niet kunnen concurreren met grafietanodes, als silicium uitzet en krimpt tijdens het gebruik van de batterij, zodat de buitenste beschermlaag van de anodes gemakkelijk kan barsten terwijl een batterij in werking is. In een recent artikel gepubliceerd in Natuur Energie , een team van onderzoekers van het University of Maryland College Park en Army Research Laboratory heeft een nieuw elektrolytontwerp gerapporteerd dat de beperkingen van bestaande siliciumanoden zou kunnen overwinnen.

"Siliciumanoden en hun gevormde vaste elektrolyt-interfase (SEI) beschermende lagen zijn gemakkelijker te verpulveren tijdens werking op batterijen, omdat de SEI sterk bindt aan Si, dus beide ervaren een groot aantal veranderingen, "Ji Chen, een van de toonaangevende onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org.

De SEI is een beschermende laag die zich op natuurlijke wijze vormt wanneer anodedeeltjes in direct contact komen met een elektrolyt. Deze laag dient als een barrière die voorkomt dat verdere reacties in de batterij plaatsvinden, het scheiden van de anode van het elektrolyt.

"Als deze beschermende laag beschadigd raakt tijdens de uitzetting of samentrekking van Si-anodedeeltjes, de nieuw blootgestelde anodedeeltjes reageren continu met de elektrolyt totdat deze opraakt tijdens het fietsen van de batterij, "Oleg Borodin, een senior chemicus die betrokken was bij de studie van het Army Research Laboratory, vertelde Phys.org.

Al meer dan een decennium, onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben geprobeerd de problemen op te lossen die het gebruik van siliciumanoden in LIB's verhinderen, voornamelijk door het ontwerpen van flexibele en organische SEI's die uitzetten met de anoden. De meeste oplossingen die ze ontwikkelden, echter, volledig ineffectief of matig effectief zijn gebleken, waardoor SEI-schade slechts gedeeltelijk wordt voorkomen.

"Voor een lange tijd, de LIB-onderzoeksgemeenschap heeft geprobeerd technieken te bedenken om anodes met hoge capaciteit zoals Si te laten werken, " zei Chunsheng Wang, een professor aan het Department of Chemical &Biomolecular Engineering en Department of Chemistry &Biochemistry van de Universiteit van Maryland (UMD), die ook de UMD-directeur is van het Center for Research in Extreme-batterijen. "Deze onderzoekers werkten meestal op het Si-materiaalniveau door dure nanofabricageprocessen te introduceren. We probeerden dit probleem anders aan te pakken door de elektrolyt en de bijbehorende SEI te ontwerpen voor anoden met hoge capaciteit."

Chen, Borodine, Wang en hun collega's ontwierpen een elektrolyt dat de prestaties van microsized siliciumanoden in LIB's zou kunnen verbeteren, het voorkomen van schade aan hun buitenste beschermende barrière. In vergelijking met eerder voorgestelde oplossingen, hun aanpak minimaliseert de afbraak van elektrolyten aanzienlijk, waardoor een veel langere batterijcyclus mogelijk is voordat deze zijn capaciteit verliest.

Het uiteindelijke doel van de studie van de onderzoekers was om een ​​universele, drop-in oplossing die de ontwikkeling van anoden met hoge capaciteit voor op Li gebaseerde batterijen zou kunnen vergemakkelijken. Om dit te behalen, ze ontwierpen elektrolyten met behulp van LiPF ₆ , een ultramodern zout, en een mengsel van etheroplosmiddelen, vormt een zeer robuuste LiF-rijke SEI-beschermlaag.

"De speciale solvatatiestructuur (interactie tussen het zout en het oplosmiddel) en de grote kloof tussen de reductieneiging van het zout en het oplosmiddel bevordert de vorming van een unieke LiF-rijke SEI op Si die super handig is voor het fietsen van de hoge capaciteit Si anodes, " legde Oleg uit. "De elektrolyt die we hebben ontworpen, biedt een drop-in-oplossing voor de huidige LIB-technologie zonder dure verwerking, met behoud van een hoge fietsstabiliteit en Coulomb-efficiëntie (CE) die ongekend is."

De recente studie van Chen, Borodine, Wang en hun collega's bewijzen dat het bereiken van goede cycli en hoge CE in LIB's die siliciumanoden bevatten, is, in feite, mogelijk, en dat dit eenvoudig kan worden bereikt door de elektrolyt in een batterij te vervangen, die voorheen als onpraktisch of totaal onhaalbaar werd beschouwd. Het principe achter hun elektrolytontwerp zou theoretisch ook kunnen worden toegepast op alle anoden van legeringen met een hoge capaciteit. In de toekomst, dit ontwerp zou de creatie van beter presterende op lithium gebaseerde batterijen mogelijk maken die anoden bevatten op basis van andere materialen dan grafiet.

"Onze bevindingen wijzen op een nieuwe richting voor elektrolytontwerp en kunnen onderzoeksteams wereldwijd vertrouwen geven in de toepassing van anodematerialen met hoge capaciteit in LIB's, " zei Wang. "Onze volgende stappen zullen zijn om het spanningsvenster van de elektrolyt te verbeteren en te proberen de technologie in licentie te geven aan batterijfabrikanten."

© 2020 Wetenschap X Netwerk