Het nieuwe elektrolytmengsel van Argonne stabiliseert siliciumanoden tijdens het fietsen.

De lithium-ionbatterij is alomtegenwoordig. Door zijn veelzijdigheid, deze batterij kan worden aangepast om mobiele telefoons van stroom te voorzien, laptops, elektrisch gereedschap of elektrische voertuigen. Het is nu de bron van een jaarlijks miljardenbedrijf dat elk jaar blijft groeien.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuw elektrolytmengsel en een eenvoudig additief ontwikkeld dat een plaats zou kunnen krijgen in de volgende generatie lithium-ionbatterijen.

Gedurende vele decennia, wetenschappers zijn krachtig op zoek gegaan naar nieuwe elektrodematerialen en elektrolyten die een nieuwe generatie lithium-ionbatterijen kunnen produceren die veel meer energieopslag bieden en langer meegaan, kost minder en is veiliger. Deze nieuwe generatie zal elektrische voertuigen waarschijnlijk meer wijdverspreid maken en de uitbreiding van het elektriciteitsnet naar hernieuwbare energie versnellen door goedkopere en betrouwbaardere energieopslag.

Voor wetenschappers die geavanceerde lithium-ionbatterijen ontwikkelen, de siliciumanode was bij uitstek de kandidaat om de huidige grafietanode te vervangen. Silicium heeft een aanzienlijk voordeel in theoretische energieopslagcapaciteit ten opzichte van grafiet, bijna tien keer zoveel lithium kunnen opslaan als grafiet. Het commercieel aantrekkelijker maken van silicium is de lage kostprijs. Het is het op één na meest voorkomende materiaal in de aardkorst, en de prevalentie ervan in computer- en telecommunicatiehardware betekent dat er substantiële verwerkingstechnologieën bestaan.

"Maar een struikelblok is gebleven, " merkte Jack Vaughey op, een senior chemicus in de divisie Chemical Sciences and Engineering (CSE) van Argonne. "Op fietsen, een op silicium gebaseerde anode in een lithium-ioncel wordt zeer reactief met de elektrolyt, en dit proces degradeert de cel na verloop van tijd, waardoor de levensduur wordt verkort."

Elektrolyten van lithium-ionbatterijen bevatten momenteel een mengsel van oplosmiddelen, met een opgelost lithiumzout en ten minste één, vaak meer dan drie organische toevoegingen. Wetenschappers van Argonne hebben een unieke strategie ontwikkeld om elektrolyten toe te voegen:een kleine hoeveelheid van een tweede zout dat een van meerdere dubbel of drievoudig geladen metaalkationen (Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Zn ²⁺ , of Al ³⁺ ). Deze verbeterde elektrolytenmengsels, gezamenlijk de naam 'MESA' (wat staat voor gemengde zoutelektrolyten voor siliciumanoden), geef siliciumanoden verhoogde oppervlakte- en bulkstabiliteiten, verbetering van het fiets- en kalenderleven op de lange termijn.

"We hebben MESA-formuleringen grondig getest met volledige cellen die zijn vervaardigd met standaard commercieel relevante elektroden, " zei Baris Key, een chemicus in de afdeling CSE. "De nieuwe chemie is eenvoudig, schaalbaar en volledig compatibel met bestaande batterijtechnologie."

"In dit project, we hebben enorm geprofiteerd van de celanalyse van Argonne, Modellering en Prototyping (CAMP) faciliteit, " voegde Vaughey eraan toe. "Daar hebben we onze MESA-formuleringen getest."

De onderzoekers van Argonne onderzochten ook hoe de MESA-bevattende elektrolyten werken. Tijdens het opladen, de toevoegingen van metaalkationen in elektrolytoplossing migreren naar de op silicium gebaseerde anode samen met de lithiumionen om lithium-metaal-silicium fasen te vormen, die stabieler zijn dan lithium-silicium. Deze nieuwe celchemie vermindert de schadelijke nevenreacties tussen de siliciumanode en de elektrolyt die cellen hadden geplaagd met de traditionele elektrolyt aanzienlijk. Van de vier metaalzouten die in cellen zijn getest, de toegevoegde elektrolytzouten met ofwel magnesium (Mg ²⁺ ) of calcium (Ca ²⁺ ) kationen bleken het beste te werken over honderden laad-ontlaadcycli. De energiedichtheden die met deze cellen werden verkregen, overtroffen die van vergelijkbare cellen met grafietchemie tot wel 50%.

"Op basis van deze testresultaten " zei Sleutel, "We hebben alle reden om te geloven dat, als siliciumanoden ooit grafiet vervangen of de anode vormen in een concentratie van meer dan een paar procent, deze uitvinding zal er deel van uitmaken en een verreikende impact kunnen hebben."