Te midden van wereldwijde inspanningen voor koolstofneutraliteit, zijn autofabrikanten over de hele wereld actief betrokken bij onderzoek en ontwikkeling om voertuigen met een verbrandingsmotor om te zetten in elektrische voertuigen. Dienovereenkomstig wordt de concurrentie om de batterijprestaties, die de kern vormt van elektrische voertuigen, te verbeteren. Sinds hun commercialisering in 1991 hebben lithium-ionbatterijen een dominant marktaandeel in de meeste marktsegmenten, van kleine huishoudelijke apparaten tot elektrische voertuigen, dankzij de voortdurende verbetering van de energiedichtheid en efficiëntie. Sommige verschijnselen die zich in dergelijke batterijen voordoen, zijn echter nog steeds niet goed begrepen, zoals de uitzetting en verslechtering van het anodemateriaal.

Het Korea Institute of Science and Technology heeft aangekondigd dat zijn team onder leiding van Dr. Jae-Pyoung Ahn (Research Resources Division) en Dr. Hong-Kyu Kim (Advanced Analysis and Data Center) erin is geslaagd de uitbreiding en verslechtering van het anodemateriaal in batterijen als gevolg van de beweging van lithiumionen. Het onderzoek van het team is gepubliceerd in ACS Energy Letters .

Het is algemeen bekend dat de prestaties en levensduur van lithium-ionbatterijen worden beïnvloed door verschillende veranderingen die optreden in de interne elektrodematerialen tijdens het laad- en ontlaadproces. Het is echter moeilijk om dergelijke veranderingen tijdens bedrijf te controleren, omdat belangrijke batterijmaterialen, zoals elektroden en elektrolyten, onmiddellijk worden verontreinigd wanneer ze aan de lucht worden blootgesteld. Daarom is nauwkeurige observatie en analyse van structurele veranderingen in het elektrodemateriaal tijdens de migratie van lithiumionen de belangrijkste factor bij het verbeteren van de prestaties en veiligheid.

In een lithium-ionbatterij verplaatsen de lithiumionen zich tijdens het opladen naar de anode en tijdens het ontladen naar de kathode. Het KIST-onderzoeksteam slaagde erin in realtime observatie van een silicium-grafietcomposietanode, die wordt bestudeerd voor commercieel gebruik als een batterij met hoge capaciteit. Theoretisch is de laadcapaciteit van silicium 10 keer hoger dan die van grafiet, een conventioneel anodemateriaal. Het volume van silicium nanopoeders verviervoudigt echter tijdens het laadproces, waardoor het moeilijk is om prestaties en veiligheid te garanderen. De hypothese is dat de nanoporiën gevormd tijdens het mengen van de bestanddelen van silicium-grafietcomposieten de volume-uitbreiding van silicium tijdens het opladen van de batterij kunnen opvangen, waardoor het batterijvolume verandert. De rol van deze nanoporiën is echter nooit bevestigd door directe observatie met elektrochemische spanningscurven.

Met behulp van een zelf ontworpen platform voor batterijanalyse observeerde het KIST-onderzoeksteam de migratie van lithiumionen in de silicium-grafietcomposietanode tijdens het opladen en identificeerde de praktische rol van de nanoporiën. Het bleek dat lithiumionen achtereenvolgens migreren naar de koolstof, nanoporiën en silicium in de silicium-grafietcomposiet. Verder merkte het onderzoeksteam op dat de poriën van nanoformaat de neiging hebben om lithiumionen op te slaan (voorvullende lithiëring) vóór de lithium-siliciumdeeltjes (Si-lithiëring), terwijl de microporiën de volume-uitbreiding van silicium accommoderen zoals eerder werd aangenomen. Daarom suggereert het onderzoeksteam dat een nieuwe benadering die micro- en nano-poriën op de juiste manier verdeelt om de volume-expansie van silicium te verminderen, waardoor de veiligheid van het materiaal wordt verbeterd, noodzakelijk is voor het ontwerp van anodematerialen met hoge capaciteit voor lithium- ion-batterijen.

"Net zoals de James Webb Space Telescope een nieuw tijdperk in de ruimteverkenning inluidt, opent het KIST-platform voor batterijanalyse nieuwe horizonten in materiaalonderzoek door de observatie van structurele veranderingen in elektrische batterijen mogelijk te maken," zei Dr. Ahn, hoofd van de KIST Research Resources Division . "We zijn van plan om het aanvullende onderzoek voort te zetten dat nodig is voor het stimuleren van innovaties in het ontwerp van batterijmateriaal, door structurele veranderingen in batterijmaterialen te observeren die niet worden beïnvloed door blootstelling aan de atmosfeer", zei hij. + Verder verkennen

Voorkomen van lithiumverlies voor lithium-ionbatterijen met hoge capaciteit