Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben ontdekt dat lithium-ionbatterijen langer en sneller werken wanneer hun elektroden worden behandeld met waterstof.

Lithium-ionbatterijen (LIB's) zijn een klasse oplaadbare batterijtypes waarin lithiumionen tijdens het ontladen van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode bewegen en terug tijdens het opladen.

De groeiende vraag naar energieopslag benadrukt de dringende behoefte aan krachtigere batterijen. Verschillende belangrijke kenmerken van de prestaties van lithium-ionbatterijen:capaciteit, spanning en energiedichtheid - worden uiteindelijk bepaald door de binding tussen lithiumionen en het elektrodemateriaal. Subtiele veranderingen in de structuur, chemie en de vorm van een elektrode kunnen een aanzienlijke invloed hebben op hoe sterk lithiumionen zich eraan hechten.

Door experimenten en berekeningen, het Livermore-team ontdekte dat met waterstof behandelde grafeen-nanoschuimelektroden in de LIB's een hogere capaciteit en sneller transport vertonen.

"Deze bevindingen bieden kwalitatieve inzichten bij het ontwerpen van op grafeen gebaseerde materialen voor krachtige elektroden, " zei Morris Wang, een LLNL materiaalwetenschapper en co-auteur van een paper die verschijnt in de 5 november editie van Nature Wetenschappelijke rapporten .

Lithium-ionbatterijen worden steeds populairder voor toepassingen in elektrische voertuigen en in de ruimtevaart. Bijvoorbeeld, lithium-ionbatterijen worden een gebruikelijke vervanging voor de loodzuurbatterijen die van oudsher werden gebruikt voor golfkarretjes en bedrijfsvoertuigen. In plaats van zware loden platen en zure elektrolyten, de trend is om lichtgewicht lithium-ionbatterijpakketten te gebruiken die dezelfde spanning kunnen leveren als loodzuurbatterijen zonder dat het aandrijfsysteem van het voertuig moet worden aangepast.

Commerciële toepassingen van grafeenmaterialen voor energieopslagapparaten, inclusief lithium-ionbatterijen en supercondensatoren, staat of valt met het vermogen om deze materialen in grote hoeveelheden en tegen lage kosten te produceren. Echter, de vaak gebruikte chemische synthesemethoden laten aanzienlijke hoeveelheden atomaire waterstof achter, waarvan het effect op de elektrochemische prestaties van grafeenderivaten moeilijk te bepalen is.

Maar wetenschappers van Livermore deden precies dat. Hun experimenten en multischaalberekeningen laten zien dat opzettelijke behandeling bij lage temperatuur van defectrijk grafeen met waterstof de snelheidscapaciteit daadwerkelijk kan verbeteren. Waterstof interageert met de defecten in het grafeen en opent kleine openingen om gemakkelijker lithiumpenetratie te vergemakkelijken, wat het vervoer verbetert. Extra omkeerbare capaciteit wordt geleverd door verbeterde lithiumbinding nabij randen, waar waterstof het meest waarschijnlijk bindt.

"De prestatieverbetering die we in de elektroden hebben gezien, is een doorbraak met toepassingen in de echte wereld, " zei Jianchao Ye, die een postdoc-stafwetenschapper is bij de Materials Science Division van het Lab, en de hoofdauteur van het artikel.

Om de betrokkenheid van waterstof en gehydrogeneerde defecten bij het lithiumopslagvermogen van grafeen te bestuderen, het team paste verschillende warmtebehandelingsomstandigheden toe in combinatie met blootstelling aan waterstof en onderzocht de elektrochemische prestaties van 3-D) grafeen nanofoam (GNF) elektroden, die voornamelijk uit gebrekkig grafeen bestaan. Het team gebruikte 3D-grafeen nanofoams vanwege hun talrijke potentiële toepassingen, inclusief waterstofopslag, katalyse, filtratie, isolatie, energie sorptiemiddelen, capacitieve ontzilting, supercondensatoren en LIB's.

Het bindmiddelvrije karakter van grafeen 3D-schuim maakt ze ideaal voor mechanistische studies zonder de complicaties veroorzaakt door additieven.

"We vonden een drastisch verbeterde snelheidscapaciteit in grafeen nanofoam-elektroden na waterstofbehandeling. Door de experimentele resultaten te combineren met gedetailleerde simulaties, we waren in staat om de verbeteringen te traceren tot subtiele interacties tussen defecten en gedissocieerde waterstof. Dit resulteert in enkele kleine veranderingen in de grafeenchemie en morfologie die een verrassend groot effect op de prestaties blijken te hebben, " zei LLNL-wetenschapper Brandon Wood, die de theorie-inspanning op het papier leidde.

Het onderzoek suggereert dat gecontroleerde waterstofbehandeling kan worden gebruikt als een strategie voor het optimaliseren van lithiumtransport en omkeerbare opslag in andere op grafeen gebaseerde anodematerialen.