Een groot probleem waarmee elektroden in oplaadbare batterijen worden geconfronteerd, terwijl ze door herhaalde cycli van opladen en ontladen gaan, is dat ze tijdens elke cyclus moeten uitzetten en krimpen - soms verdubbelend in volume, en dan terug krimpen. Dit kan leiden tot herhaalde afstoting en hervorming van de "huid" -laag die lithium onomkeerbaar verbruikt, de prestaties van de batterij in de loop van de tijd verslechteren.

Nu heeft een team van onderzoekers van MIT en Tsinghua University in China een nieuwe manier gevonden om dat probleem te omzeilen:het creëren van een elektrode gemaakt van nanodeeltjes met een stevige schaal, en een "dooier" aan de binnenkant die keer op keer van grootte kan veranderen zonder de schaal aan te tasten. De innovatie zou de levensduur van de cyclus drastisch kunnen verbeteren, het team zegt, en zorgen voor een dramatische boost in de capaciteit en het vermogen van de batterij.

De nieuwe bevindingen, die aluminium gebruiken als het belangrijkste materiaal voor de negatieve elektrode van de lithium-ionbatterij, of anode, worden gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie , in een paper van MIT-professor Ju Li en zes anderen. Het gebruik van nanodeeltjes met een aluminiumdooier en een omhulsel van titaniumdioxide is "de kampioen op hoog niveau onder de anoden met hoge capaciteit, ’ meldt het team.

De meeste huidige lithium-ionbatterijen - de meest gebruikte vorm van oplaadbare batterijen - gebruiken anodes gemaakt van grafiet, een vorm van koolstof. Grafiet heeft een ladingsopslagcapaciteit van 0,35 ampère-uur per gram (Ah/g); voor vele jaren, onderzoekers hebben andere opties onderzocht die zouden zorgen voor meer energieopslag voor een bepaald gewicht. Lithiummetaal, bijvoorbeeld, kan ongeveer 10 keer zoveel energie per gram opslaan, maar is uiterst gevaarlijk, kortsluiting kunnen veroorzaken of zelfs vlam kunnen vatten. Silicium en tin hebben een zeer hoge capaciteit, maar de capaciteit daalt bij hoge laad- en ontlaadsnelheden.

Aluminium is een goedkope optie met een theoretische capaciteit van 2 Ah/g. Maar aluminium en andere materialen met een hoge capaciteit, Li zegt, "veel uitbreiden als ze een hoge capaciteit bereiken, wanneer ze lithium absorberen. En dan krimpen ze, bij het vrijgeven van lithium."

Deze uitzetting en samentrekking van aluminiumdeeltjes genereert grote mechanische spanning, waardoor elektrische contacten kunnen losraken. Ook, de vloeibare elektrolyt in contact met aluminium zal altijd ontleden bij de vereiste laad-/ontlaadspanningen, het vormen van een huid genaamd vaste elektrolyt interfase (SEI) laag, wat goed zou zijn, ware het niet voor de herhaalde grote volume-uitzetting en krimp die ervoor zorgt dat SEI-deeltjes afwerpen. Als resultaat, eerdere pogingen om een ​​aluminiumelektrode voor lithium-ionbatterijen te ontwikkelen waren mislukt.

Dat is waar het idee ontstond om opgesloten aluminium te gebruiken in de vorm van een dooierschaal nanodeeltje. er is een groot verschil tussen de zogenaamde "core-shell" en "yolk-shell" nanodeeltjes. De eerste hebben een schaal die direct aan de kern is gehecht, maar dooierschaaldeeltjes hebben een leegte tussen de twee - gelijk aan waar het wit van een ei zou zijn. Als resultaat, het "dooier" -materiaal kan vrij uitzetten en samentrekken, met weinig effect op de afmetingen en stabiliteit van de "schaal".

"We hebben een titaniumoxide schaal gemaakt, "Li zegt, "die het aluminium scheidt van de vloeibare elektrolyt" tussen de twee elektroden van de batterij. De schaal zet niet uit of krimpt niet veel, hij zegt, dus de SEI-coating op de schaal is zeer stabiel en valt niet af, en de aluminium binnenkant is beschermd tegen direct contact met de elektrolyt.

Het team had het oorspronkelijk niet zo gepland, zegt Li, de Battelle Energy Alliance Professor in Nuclear Science and Engineering, die een gezamenlijke aanstelling heeft in de afdeling Materials Science and Engineering van MIT.

"We hebben de methode toevallig bedacht, het was een toevallige ontdekking, " zegt hij. De aluminiumdeeltjes die ze gebruikten, die ongeveer 50 nanometer in diameter zijn, hebben van nature een geoxideerde laag aluminiumoxide (Al2O3). "We moesten ervan af, omdat het niet goed is voor de elektrische geleidbaarheid, "zegt Li.

Uiteindelijk hebben ze de aluminiumoxidelaag omgezet in titania (TiO2), een betere geleider van elektronen en lithiumionen als het erg dun is. Aluminiumpoeders werden geplaatst in zwavelzuur verzadigd met titaniumoxysulfaat. Wanneer het aluminiumoxide reageert met zwavelzuur, er komt overtollig water vrij dat reageert met titaniumoxysulfaat om een ​​vaste schil van titaniumhydroxide te vormen met een dikte van 3 tot 4 nanometer. Wat verrassend is, is dat hoewel deze solide schaal bijna onmiddellijk wordt gevormd, als de deeltjes nog een paar uur in het zuur blijven, de aluminium kern krimpt continu tot een 30-nm-across "dooier, ", wat laat zien dat kleine ionen door de schaal kunnen komen.

De deeltjes worden vervolgens behandeld om de uiteindelijke aluminium-titania (ATO) dooierschildeeltjes te krijgen. Na te zijn getest door middel van 500 laad-ontlaadcycli, de titania schaal wordt wat dikker, Li zegt, maar de binnenkant van de elektrode blijft schoon zonder opbouw van de SEI's, het bewijst dat de schaal het aluminium volledig omsluit, terwijl lithiumionen en elektronen in en uit kunnen komen. Het resultaat is een elektrode die meer dan drie keer de capaciteit van grafiet (1,2 Ah/g) geeft bij een normale laadsnelheid, zegt Li. Bij zeer hoge oplaadsnelheden (zes minuten tot volledige lading), de capaciteit is na 500 cycli nog steeds 0,66 Ah/g.

De materialen zijn goedkoop, en de productiemethode zou eenvoudig en gemakkelijk schaalbaar kunnen zijn, zegt Li. Voor toepassingen die een batterij met een hoog vermogen en een hoge energiedichtheid vereisen, hij zegt, "Het is waarschijnlijk het beste beschikbare anodemateriaal." Volledige celtests met lithiumijzerfosfaat als kathode zijn succesvol geweest, wat aangeeft dat ATO bijna klaar is voor echte toepassingen.

"Deze dooierschaaldeeltjes vertonen zeer indrukwekkende prestaties bij testen op laboratoriumschaal, " zegt David Lou, een universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering aan de Nanyang Technological University in Singapore, die niet bij dit werk betrokken was. "Naar mij, het meest aantrekkelijke van dit werk is dat het proces eenvoudig en schaalbaar lijkt."

Er is veel werk op het gebied van batterijen dat gebruik maakt van "gecompliceerde synthese met geavanceerde faciliteiten, "Lou voegt eraan toe, maar het is onwaarschijnlijk dat dergelijke systemen "impact hebben voor echte batterijen. ... Eenvoudige dingen hebben een echte impact op het gebied van batterijen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.