Lithium-ionbatterijen zijn de belangrijkste oplaadbare energiebron voor veel draagbare apparaten en elektrische voertuigen, maar het gebruik ervan is beperkt, omdat ze geen hoog vermogen leveren en tegelijkertijd omkeerbare energieopslag mogelijk maken. Onderzoek gerapporteerd in Technische Natuurkunde Beoordelingen wil een oplossing bieden door te laten zien hoe de opname van geleidende vulstoffen de batterijprestaties verbetert.

Het optimale batterijontwerp omvat dikke elektrodestructuren. Dit verhoogt de energiedichtheid, maar het ontwerp lijdt aan slecht lithium-ion transport, een belangrijke stap in het functioneren van deze elektroden. Er zijn verschillende verbetertechnieken uitgeprobeerd, inclusief het bouwen van verticaal uitgelijnde kanalen of het creëren van poriën van de juiste grootte om het transport van de lithiumionen te vergemakkelijken.

Een andere benadering is het gebruik van vulstoffen gemaakt van koolstof die elektriciteit geleiden. In deze studie werden drie soorten vulstoffen overwogen:enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT's), grafeen nanosheets, en een stof die bekend staat als Super P, een soort roetdeeltjes geproduceerd tijdens oxidatie van aardolievoorlopers. Super P is de meest gebruikte geleidende vulstof in lithium-ionbatterijen.

De vulstoffen werden toegevoegd aan een soort elektrodemateriaal dat bekend staat als NCM en dat nikkel, kobalt, en mangaan. De onderzoekers onderzochten de resulterende composieten met scanning-elektronenmicroscopie. De Super P- en NCM-deeltjes bleken in een punt-naar-punt contactmodus te zijn gerangschikt.

De SWCNT's waren, echter, gewikkeld rond de NCM-deeltjes, het vormen van een geleidende coating. In aanvulling, netwerken van onderling verbonden SWCNT's werden waargenomen in de ruimtes tussen NCM-deeltjes. De grafeen-nanobladen waren ook rond de NCM-elektrodedeeltjes gewikkeld, maar niet zo uniform als de SWCNT's.

De SWCNT's bleken de beste geleidende vulstof voor NCM-elektroden te zijn.

"De gemeten geleidbaarheid komt overeen met de percolatietheorie ... Wanneer een elektrisch geleidende vulstof wordt toegevoegd aan een isolerende matrix, significante toename van de geleidbaarheid zal optreden zodra de eerste geleidende route door de composiet is gevormd, " zei Guihua Yu, een van de auteurs.

Aangezien percolatie een volledig traject door de vulstof vereist, een voldoende hoeveelheid geleidende vulstof is nodig. Daarom, de onderzoekers overwogen verschillende hoeveelheden vulmiddel en ontdekten dat het combineren van NCM-elektroden met slechts 0,16 gew.% SWCNT een goede elektrische geleidbaarheid opleverde. Er waren grotere hoeveelheden Super P en grafeen nodig om dezelfde resultaten te bereiken.

De onderzoekers gebruikten verschillende spectroscopische technieken, inclusief Raman- en röntgenabsorptiespectroscopie, om de resulterende composieten te bestuderen.

"Dit is een gezamenlijke inspanning van het Center for Mesoscale Transport Properties, een Energy Frontier Research Center, ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy Basic Energy Sciences-programma. Onze bevindingen suggereren dat de integratie van SWCNT's in de NCM-elektrode de overdracht van ionen en ladingen vergemakkelijkt. Dit zal leiden tot een hoger elektrochemisch gebruik, vooral bij hoge ontladingen, ' zei Yu.