Aangezien onze behoefte aan batterijen met een hoge dichtheid toeneemt met de wijdverbreide acceptatie van elektrische auto's en alternatieve energiebronnen, is het verbeteren van de stabiliteit en capaciteit van lithium-ionbatterijen een noodzaak. De huidige lithium-ionbatterijtechnologie, die vaak nikkel gebruikt, is minder stabiel bij extreme temperaturen, wat leidt tot oververhitting door zowel temperatuur als hoge spanningen. Deze batterijen hebben ook de neiging om snel te verslechteren.

Om dit probleem op te lossen, bestuderen onderzoekers nieuwe chemische combinaties die deze nadelen kunnen verhelpen. In een recent onderzoek hebben wetenschappers aangetoond hoe een oplosmiddel en een additief van anorganische verbindingen de stabiliteit en prestaties van lithium-ionbatterijen met nikkelkathoden kunnen verbeteren.

Ze publiceerden hun resultaten op 12 september in Nano Research .

De basisprincipes van hoe batterijen werken, zijn hetzelfde, of u nu denkt aan een industriële lithium-ionbatterij of een gemiddelde huishoudelijke AA-batterij. De kathode is de positieve elektrode, de anode is de negatieve elektrode en tussen hen in de batterij bevindt zich een oplossing die de elektrolyt wordt genoemd. Positief en negatief geladen ionen stromen door de elektrolyt en een chemische reactie genereert elektrische energie. In deze studie identificeerden onderzoekers een op sulfolaan gebaseerde vloeibare elektrolyt waaraan lithiumperchloraat is toegevoegd als een mogelijke oplossing voor veelvoorkomende nadelen van lithium-ionbatterijen.

"Voor op nikkel gebaseerde kathoden worden goede elektrochemische prestaties bij lage temperaturen meestal bereikt ten koste van eigendom en veiligheid bij kamertemperatuur. Dit komt omdat elektrolyten met laagsmeltende oplosmiddelen dramatisch verslechteren. De hoge vluchtigheid en ontvlambaarheid van deze elektrolyten beperken ook hun toepassing bij hoge temperaturen", zegt professor Fang Lian van de School of Materials Science and Engineering aan de University of Science and Technology Beijing in Peking, China. Door lithiumperchloraat aan het sulfolaan toe te voegen, ontdekten onderzoekers dat ze veel van deze nadelen konden verbeteren.

Sulfolaan is een oplosmiddel dat oorspronkelijk is gemaakt voor gebruik in de olie- en gasindustrie, maar het wordt nu in veel verschillende industriële omgevingen gebruikt omdat het stabiel blijft bij verhoogde temperaturen. Lithiumperchloraat is een anorganische verbinding die wordt gecombineerd met het sulfolaan om de stabiliteit van de elektrolyt te helpen behouden. Een derde chemische stof wordt toegevoegd om de elektrolyt te verdunnen en de stabiliteit van de elektrolyt bij een breed temperatuurbereik te helpen.

Om te testen hoe goed de voorgestelde elektrolyt werkte, creëerden onderzoekers een batterij met behulp van de elektrolyt en voerden ze een reeks tests en theoretische berekeningen uit.

Ze ontdekten dat het oplosmiddel de geleidbaarheid kon behouden bij een breed temperatuurbereik, variërend van -60 tot 55 graden Celsius. Ter vergelijking:traditionele elektrolyten hebben de neiging om te stollen bij temperaturen onder de -20 graden Celsius. Het toevoegen van lithiumperchloraat aan de elektrolyt versterkt de manier waarop de verschillende chemicaliën in de elektrolyt met elkaar omgaan en vermindert de benodigde hoeveelheid energie, waardoor het voor de elektrolyt gemakkelijker wordt om bij lagere temperaturen te werken.

"De verdunde hoge concentratie op sulfolaan gebaseerde elektrolyt met lithiumperchloraat-additief realiseert de brede temperatuurtoepassing in hoogspanningscellen. Deze combinatie verbetert de lithium-ionoverdracht en vermindert de desolvatie-energie, terwijl de continue ontleding van de elektrolyt en de acute achteruitgang wordt geremd van de kathode bij hoge temperaturen," zei Lian. "Ons werk biedt een uitgebreid begrip van het moleculaire ontwerp van de elektrolyt, wat de ontwikkeling van lithiumbatterijen met hoge energiedichtheid mogelijk maakt." + Verder verkennen

Nieuwe warmtetolerante condensator met hoge capaciteit gemaakt met vaste elektrolyten die zijn geleend van volledig solid-state batterijen