Lithium-ionbatterijen zijn overal, op smartphones, laptops, een reeks andere consumentenelektronica, en de nieuwste elektrische auto's. Goed zoals ze zijn, ze kunnen veel beter, vooral als het gaat om het verlagen van de kosten en het vergroten van de actieradius van elektrische auto's. Om dat te doen, batterijen moeten veel meer energie opslaan.

De anode is een essentieel onderdeel voor het opslaan van energie in lithium-ionbatterijen. Een team van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft een nieuw soort anode ontworpen die acht keer het lithium van de huidige ontwerpen kan absorberen. en heeft zijn sterk verhoogde energiecapaciteit behouden na meer dan een jaar testen en vele honderden laad-ontlaadcycli.

Het geheim is een op maat gemaakt polymeer dat elektriciteit geleidt en nauw bindt aan lithium-opslaande siliciumdeeltjes, zelfs als ze tijdens het opladen tot meer dan drie keer hun volume uitzetten en vervolgens weer krimpen tijdens het ontladen. De nieuwe anodes zijn gemaakt van goedkope materialen, compatibel met standaard productietechnologieën voor lithiumbatterijen. Het onderzoeksteam rapporteert zijn bevindingen in Geavanceerde materialen , nu online beschikbaar.

Uitbreiding met hoge capaciteit

"Lithium-ionanodematerialen met hoge capaciteit hebben altijd de uitdaging van volumeverandering - zwelling - geconfronteerd wanneer elektroden lithium absorberen, " zegt Gao Liu van Berkeley Lab's Environmental Energy Technologies Division (EETD), een lid van het BATT-programma (Batteries for Advanced Transportation Technologies) beheerd door het Lab en ondersteund door DOE's Office of Vehicle Technologies.

zegt Liu, "De meeste van de huidige lithium-ionbatterijen hebben anodes gemaakt van grafiet, die elektrisch geleidend is en slechts bescheiden uitzet wanneer de ionen tussen de grafeenlagen worden ondergebracht. Silicium kan 10 keer meer opslaan - het heeft verreweg de hoogste capaciteit onder lithium-ion-opslagmaterialen - maar het zwelt op tot meer dan drie keer zijn volume wanneer het volledig is opgeladen."

Dit soort zwelling verbreekt snel de elektrische contacten in de anode, dus hebben onderzoekers zich geconcentreerd op het vinden van andere manieren om silicium te gebruiken met behoud van de geleidbaarheid van de anode. Er zijn veel benaderingen voorgesteld; sommige zijn onbetaalbaar.

Een goedkopere benadering was het mengen van siliciumdeeltjes in een flexibel polymeerbindmiddel, met roet toegevoegd aan de mix om elektriciteit te geleiden. Helaas, het herhaaldelijk zwellen en krimpen van de siliciumdeeltjes terwijl ze lithiumionen verwerven en vrijgeven, duwen uiteindelijk de toegevoegde koolstofdeeltjes weg. Wat nodig is, is een flexibel bindmiddel dat zelf elektriciteit kan geleiden. zonder de toegevoegde koolstof.

"Geleidende polymeren zijn geen nieuw idee, " zegt Liu, "maar eerdere pogingen hebben niet goed gewerkt, omdat ze geen rekening hebben gehouden met de sterk reducerende omgeving aan de anodezijde van een lithium-ionbatterij, waardoor de meeste geleidende polymeren isolatoren zijn."

Een zo'n experimenteel polymeer, genaamd PAN (polyaniline), heeft positieve ladingen; het begint als een geleider, maar verliest snel zijn geleidbaarheid. Een ideaal geleidend polymeer zou gemakkelijk elektronen moeten opnemen, waardoor het geleidend wordt in de reducerende omgeving van de anode.

De signatuur van een veelbelovend polymeer zou er een zijn met een lage waarde van de staat die de "laagste onbezette moleculaire orbitaal wordt genoemd, " waar elektronen gemakkelijk kunnen verblijven en vrij kunnen bewegen. Idealiter, elektronen zouden worden verkregen uit de lithiumatomen tijdens het eerste oplaadproces. Liu en zijn postdoctorale collega Shidi Xun in EETD ontwierpen een reeks van dergelijke geleidende polymeren op basis van polyfluoreen, kortweg PF's.

Toen Liu de uitstekende prestaties van de PF's besprak met Wanli Yang van Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), er ontstond een wetenschappelijke samenwerking om de nieuwe materialen te begrijpen. Yang stelde voor om zachte röntgenabsorptiespectroscopie uit te voeren op Liu en Xun's kandidaat-polymeren met behulp van ALS-bundellijn 8.0.1 om hun belangrijkste elektronische eigenschappen te bepalen.

zegt Yang, "Gao wilde weten waar de ionen en elektronen zijn en waar ze bewegen. Zachte röntgenspectroscopie heeft de kracht om precies dit soort cruciale informatie te leveren."

Vergeleken met de elektronische structuur van PAN, de absorptiespectra die Yang voor de PF's kreeg, vielen meteen op. De verschillen waren het grootst bij PF's met een functionele koolstof-zuurstofgroep (carbonyl).

"We hadden het experimentele bewijs, " zegt Yang, "maar om te begrijpen wat we zagen, en de relevantie ervan voor de geleidbaarheid van het polymeer, we hadden een theoretische verklaring nodig, uitgaande van de eerste principes." Hij vroeg Lin-Wang Wang van Berkeley Lab's Materials Sciences Division (MSD) om deel te nemen aan de onderzoekssamenwerking.

Wang en zijn postdoctorale collega, Nenad Vukmirovic, voerde ab initio berekeningen uit van de veelbelovende polymeren in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Lab. Wang zegt, "De berekening vertelt je wat er echt aan de hand is - inclusief precies hoe de lithiumionen zich aan het polymeer hechten, en waarom de toegevoegde functionele carbonylgroep het proces verbetert. Het was best indrukwekkend dat de berekeningen zo mooi overeenkwamen met de experimenten."

De simulatie onthulde inderdaad "wat er echt aan de hand is" met het type PF dat de functionele carbonylgroep omvat, en liet zien waarom het systeem zo goed werkt. De lithiumionen interageren eerst met het polymeer, en daarna binden aan de siliciumdeeltjes. Wanneer een lithiumatoom via de carbonylgroep aan het polymeer bindt, het geeft zijn elektron aan het polymeer - een doteringsproces dat de elektrische geleidbaarheid van het polymeer aanzienlijk verbetert, het vergemakkelijken van elektronen- en ionentransport naar de siliciumdeeltjes.

Fietsen voor succes

Na één cyclus van materiaalsynthese bij EETD te hebben doorlopen, experimentele analyse bij de ALS, en theoretische simulatie bij MSD, de positieve resultaten leidden tot een nieuwe cyclus van verbeteringen. Bijna net zo belangrijk als de elektrische eigenschappen zijn de fysieke eigenschappen van het polymeer, waaraan Liu nu een andere functionele groep heeft toegevoegd, het produceren van een polymeer dat stevig aan de siliciumdeeltjes kan hechten wanneer ze lithiumionen verwerven of verliezen en herhaalde volumeveranderingen ondergaan.

Scanning-elektronenmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie bij het National Center for Electron Microscopy (NCEM), het tonen van de anodes na 32 laad-ontlaadcycli, bevestigde dat het gemodificeerde polymeer sterk hechtte tijdens de werking van de batterij, zelfs als de siliciumdeeltjes herhaaldelijk uitzetten en samentrekken. Tests bij de ALS en simulaties bevestigden dat de toegevoegde mechanische eigenschappen geen invloed hadden op de superieure elektrische eigenschappen van het polymeer.

"Zonder de input van onze partners bij de ALS en in MSD, wat kan worden gewijzigd en wat niet moet worden gewijzigd in de volgende generatie polymeren zou niet duidelijk zijn geweest, " zegt Vince Battaglia, Programmamanager van de afdeling Advanced Energy Technologies van EETD.

"Deze prestatie biedt een zeldzame wetenschappelijke showcase, het combineren van geavanceerde synthesetools, karakteriseren, en simulatie in een nieuwe benadering van materiaalontwikkeling, " zegt Zahid Hussein, de ALS Division plaatsvervangend voor Wetenschappelijke Ondersteuning en Wetenschappelijke Ondersteuning Groepsleider. "De cyclische benadering kan leiden tot de ontdekking van nieuwe praktische materialen met een fundamenteel begrip van hun eigenschappen."

De kers op de anodecake is dat de nieuwe op PF gebaseerde anode niet alleen superieur maar ook economisch is. "Met behulp van commerciële siliciumdeeltjes en zonder enig geleidend additief, onze composietanode vertoont tot nu toe de beste prestaties, ", zegt Gao Liu. "Het hele productieproces is goedkoop en compatibel met gevestigde productietechnologieën. De commerciële waarde van het polymeer is al erkend door grote bedrijven, en de mogelijke toepassingen reiken verder dan siliciumanoden."

Anodes zijn een belangrijk onderdeel van de lithium-ionbatterijtechnologie, maar verre van de enige uitdaging. De onderzoekssamenwerking gaat nu al naar de volgende stap, het bestuderen van andere batterijcomponenten, waaronder kathoden.