Onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering hebben de prestaties en capaciteit van lithiumbatterijen verbeterd door beter presterende, goedkopere materialen voor gebruik in anodes en kathoden (negatieve en positieve elektroden, respectievelijk).

Lithium-ionbatterijen zijn een populair type oplaadbare batterij die vaak wordt aangetroffen in draagbare elektronica en elektrische of hybride auto's. traditioneel, lithium-ionbatterijen bevatten een grafietanode, maar silicium is onlangs naar voren gekomen als een veelbelovende anodevervanger omdat het het op één na meest voorkomende element op aarde is en een theoretische capaciteit heeft van 3600 milliampère-uur per gram (mAh/g), bijna 10 keer de capaciteit van grafiet. De capaciteit van een lithium-ionbatterij wordt bepaald door hoeveel lithiumionen er in de kathode en anode kunnen worden opgeslagen. Het gebruik van silicium in de anode verhoogt de capaciteit van de batterij aanzienlijk omdat één siliciumatoom tot 3,75 lithiumionen kan binden. terwijl bij een grafietanode zes koolstofatomen nodig zijn voor elk lithiumatoom.

Het USC Viterbi-team ontwikkelde een kosteneffectieve (en dus commercieel levensvatbare) siliciumanode met een stabiele capaciteit van meer dan 1100 mAh/g voor verlengde 600 cycli, waardoor hun anode bijna drie keer krachtiger en duurzamer is dan een typische commerciële anode.

Tot voor kort, de succesvolle implementatie van siliciumanoden in lithium-ionbatterijen stuitte op één grote hindernis:de ernstige verpulvering van de elektrode als gevolg van de volume-uitzetting en terugtrekking die optreedt bij het gebruik van silicium. Vorig jaar, hetzelfde team onder leiding van USC Viterbi, hoogleraar elektrotechniek Chongwu Zhou, ontwikkelde een succesvol anodeontwerp met behulp van poreuze silicium nanodraden waardoor het materiaal kon uitzetten en samentrekken zonder te breken, het effectief oplossen van het verpulveringsprobleem.

Deze oplossing leverde een nieuw probleem op, echter:de methode voor het produceren van nanogestructureerd silicium was onbetaalbaar voor commerciële adoptie.

onverschrokken, afgestudeerde student Mingyuan Ge en andere leden van Zhou's team bouwden voort op hun eerdere werk om een ​​kostenefficiënte methode te ontwikkelen voor het produceren van poreuze siliciumdeeltjes door middel van de eenvoudige en goedkope methoden van kogelfrezen en vlekkenetsen.

"Onze methode om nanoporeuze siliciumanoden te produceren is goedkoop en schaalbaar voor massaproductie in industriële productie, waardoor silicium een ​​veelbelovend anodemateriaal is voor de volgende generatie lithium-ionbatterijen, "zei Zhou. "Wij geloven dat dit de meest veelbelovende benadering is om siliciumanoden in lithium-ionbatterijen toe te passen om de capaciteit en prestaties te verbeteren."

In aanvulling, afgestudeerde student Jiepeng Rong en andere teamleden ontwikkelden een methode om zwavelpoeder te coaten met grafeenoxide om de prestaties van lithium-zwavelbatterijen te verbeteren. Zwavel is al vele jaren een veelbelovende kathodekandidaat vanwege zijn hoge theoretische capaciteit, wat meer dan 10 keer groter is dan die van traditionele metaaloxide- of fosfaatkathoden. Elementaire zwavel is ook overvloedig, goedkoop, en heeft een lage toxiciteit. Echter, de praktische toepassing van zwavel is sterk belemmerd door uitdagingen, waaronder slechte geleidbaarheid en slechte recycleerbaarheid, wat betekent dat de batterij na elke oplaadbeurt stroom verliest en sterft na een lager aantal oplaadbeurten.

Hun onderzoek toonde aan dat een grafeenoxidecoating over zwavel beide problemen kan oplossen. Grafeenoxide heeft unieke eigenschappen zoals een groot oppervlak, chemische stabiliteit, mechanische sterkte en flexibiliteit, en wordt daarom vaak gebruikt om kernmaterialen in producten zoals sensoren of zonnecellen te coaten om hun prestaties te verbeteren. De grafeenoxidecoating van het team verbeterde de capaciteit van de zwavelkathode tot 800 mAh/g voor 1000 laad-/ontlaadcycli. dat is meer dan 5 keer de capaciteit van commerciële kathoden.

Zhou en zijn team publiceerden onlangs hun resultaten over siliciumanoden in Nano-letters [1]. Het papier was een gezamenlijke inspanning tussen Zhou, USC Viterbi afgestudeerde studenten Mingyuan Ge, Jiepeng Rong, en Xin Fang, evenals Matthew Mecklenburg van het Centrum voor Elektronenmicroscopie en Microanalyse aan het USC, en onderzoekers van de Chinese Zhejiang University en het Lawrence Berkeley National Laboratory. Afzonderlijk, Zhou, Rong, jeetje, en Fang publiceerden ook resultaten in Nano-letters over hun methode om gemakkelijk met grafeen gecoate zwavelkathoden voor lithium-ionbatterijen te produceren [2].

Nu hun afzonderlijke tests van de negatieve en positieve elektroden uitstekende resultaten hebben opgeleverd, het team is nu bezig om ze samen in een complete batterij te testen. Vervolgens zullen ze de siliciumanode integreren met de zwavelkathode, evenals met andere traditionele kathodematerialen, om de capaciteit van de lithium-ionbatterij en de algehele prestaties te maximaliseren.

"Voor zover we kunnen nagaan, onze technologieën met zowel de siliciumanode als de zwavelkathode behoren tot de meest kosteneffectieve oplossingen en zijn daarom veelbelovend voor commercialisering om de volgende generatie lithium-ionbatterijen te maken voor het aandrijven van draagbare elektronica en elektrische voertuigen, ", zegt USC Viterbi-afgestudeerde student Rong.