Yuan Yang, assistent-professor materiaalkunde en engineering aan Columbia Engineering, heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de energiedichtheid van lithium (Li-ion) batterijen te verhogen. Hij heeft een drielaagse structuur gebouwd die zelfs in de lucht stabiel is, waardoor de batterij zowel langer meegaat als goedkoper te produceren is. Het werk, die de energiedichtheid van lithiumbatterijen met 10-30% kan verbeteren, wordt vandaag online gepubliceerd in Nano-letters .

"Als lithiumbatterijen de eerste keer worden opgeladen, ze verliezen ergens tussen de 5-20% energie in die eerste cyclus, " zegt Yang. "Door ons ontwerp, we hebben dit verlies terug kunnen verdienen, en we denken dat onze methode een groot potentieel heeft om de gebruiksduur van batterijen voor draagbare elektronica en elektrische voertuigen te verlengen."

Tijdens de eerste lading van een lithiumbatterij na de productie ervan, een deel van de vloeibare elektrolyt wordt gereduceerd tot een vaste fase en op de negatieve elektrode van de batterij aangebracht. Dit proces, meestal gedaan voordat batterijen uit een fabriek worden verzonden, is onomkeerbaar en verlaagt de energie die in de batterij is opgeslagen. Het verlies is ongeveer 10% voor state-of-the-art negatieve elektroden, maar kan oplopen tot 20-30% voor negatieve elektroden van de volgende generatie met een hoge capaciteit, zoals silicium, omdat deze materialen een grote volume-uitzetting en een hoog oppervlak hebben. Het grote initiële verlies vermindert de haalbare capaciteit in een volledige cel en compromitteert dus de winst in energiedichtheid en levensduur van deze nanogestructureerde elektroden.

De traditionele benadering om dit verlies te compenseren was om bepaalde lithiumrijke materialen in de elektrode te plaatsen. Echter, de meeste van deze materialen zijn niet stabiel in de omgevingslucht. Batterijen vervaardigen in droge lucht, die helemaal geen vocht heeft, is een veel duurder proces dan fabricage in omgevingslucht. Yang heeft een nieuwe drielaagse elektrodestructuur ontwikkeld om gelithieerde batterijanoden in de lucht te fabriceren. In deze elektroden hij beschermde het lithium met een laag van het polymeer PMMA om te voorkomen dat lithium reageert met lucht en vocht, en vervolgens het PMMA gecoat met actieve materialen zoals kunstmatig grafiet of silicium nanodeeltjes. De PMMA-laag werd vervolgens opgelost in de batterij-elektrolyt, waardoor het lithium wordt blootgesteld aan de elektrodematerialen. "Op deze manier konden we elk contact met lucht tussen onstabiel lithium en een gelithieerde elektrode vermijden, " legt Yang uit, "zodat de drielaagse gestructureerde elektrode kan worden gebruikt in de omgevingslucht. Dit zou een aantrekkelijke stap vooruit kunnen zijn naar massaproductie van gelithieerde batterij-elektroden."

De methode van Yang verlaagde de verliescapaciteit in ultramoderne grafietelektroden van 8% naar 0,3%, en in siliciumelektroden, van 13% tot -15%. Het cijfer van -15% geeft aan dat er meer lithium was dan nodig, en het "extra" lithium kan worden gebruikt om de levensduur van batterijen verder te verlengen, omdat de overmaat capaciteitsverlies in volgende cycli kan compenseren. Omdat de energiedichtheid of capaciteit, van lithium-ionbatterijen is de afgelopen 25 jaar jaarlijks met 5-7% gestegen, De resultaten van Yang wijzen op een mogelijke oplossing om de capaciteit van Li-ion-batterijen te vergroten. Zijn groep probeert nu de dikte van de polymeercoating te verminderen, zodat deze een kleiner volume in de lithiumbatterij zal innemen, en om zijn techniek op te schalen.

"Deze drielaagse elektrodestructuur is inderdaad een slim ontwerp dat de verwerking van lithium-metaalhoudende elektroden onder omgevingsomstandigheden mogelijk maakt, " merkt Hailiang Wang op, assistent-professor scheikunde aan de Yale University, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De initiële Coulomb-efficiëntie van elektroden is een grote zorg voor de Li-ion batterij-industrie, en deze effectieve en gebruiksvriendelijke techniek om onomkeerbaar Li-ionverlies te compenseren, zal belangstelling wekken."