Lithium-ionbatterijen (LIB's) die functioneren als krachtige stroombronnen voor hernieuwbare toepassingen, zoals elektrische voertuigen en consumentenelektronica, vereisen elektroden die een hoge energiedichtheid leveren zonder de levensduur van de cel in gevaar te brengen.

In de Journal of Vacuum Science and Technology A , onderzoekers onderzoeken de oorsprong van degradatie in LIB-kathodematerialen met hoge energiedichtheid en ontwikkelen strategieën om die degradatiemechanismen te verminderen en de LIB-prestaties te verbeteren.

Hun onderzoek kan waardevol zijn voor veel nieuwe toepassingen, met name elektrische voertuigen en energieopslag op netniveau voor hernieuwbare energiebronnen, zoals wind en zon.

"De meeste degradatiemechanismen in LIB's komen voor op de elektrode-oppervlakken die in contact staan ​​met de elektrolyt, " zei auteur Mark Hersam. "We probeerden de chemie op deze oppervlakken te begrijpen en vervolgens strategieën te ontwikkelen om degradatie te minimaliseren."

De onderzoekers gebruikten oppervlaktechemische karakterisering als een strategie voor het identificeren en minimaliseren van resterende hydroxide- en carbonaatonzuiverheden uit de synthese van NCA (nikkel, kobalt, aluminium) nanodeeltjes. Ze realiseerden zich dat de LIB-kathode-oppervlakken eerst moesten worden voorbereid door geschikte uitgloeiing, een proces waarbij de kathode-nanodeeltjes worden verwarmd om onzuiverheden aan het oppervlak te verwijderen, en vervolgens opgesloten in de gewenste structuren met een atomair dunne grafeencoating.

De met grafeen gecoate NCA-nanodeeltjes, die werden geformuleerd in LIB-kathoden, toonde overtreffende trap elektrochemische eigenschappen, inclusief lage impedantie, hoge snelheid prestaties, hoge volumetrische energie- en vermogensdichtheden, en lange levensduur van de fiets. De grafeencoating fungeerde ook als een barrière tussen het elektrodeoppervlak en de elektrolyt, die de levensduur van de cel verder verbeterden.

Hoewel de onderzoekers dachten dat de grafeencoating alleen voldoende zou zijn om de prestaties te verbeteren, hun resultaten onthulden het belang van het voorgloeien van de kathodematerialen om hun oppervlaktechemie te optimaliseren voordat de grafeencoating werd aangebracht.

Hoewel dit werk zich richtte op nikkelrijke LIB-kathoden, de methodologie zou kunnen worden veralgemeend naar andere energieopslagelektroden, zoals natrium-ion- of magnesium-ion-batterijen, die nanogestructureerde materialen bevatten met een groot oppervlak. Bijgevolg, dit werk zet een duidelijk pad voorwaarts voor de realisatie van hoogwaardige, op nanodeeltjes gebaseerde energieopslagapparaten.

"Onze aanpak kan ook worden toegepast om de prestaties van anoden in LIB's en gerelateerde energieopslagtechnologieën te verbeteren, "zei Hersam. "Uiteindelijk, je moet zowel de anode als de kathode optimaliseren om de best mogelijke batterijprestaties te bereiken."