Onderzoekers van de Toyohashi University of Technology hebben met succes een bindmiddelloos tinfosfide (Sn ₄ P ₃ )/koolstof (C) composietfilmelektrode voor lithium-ionbatterijen via aerosolafzetting. de sn ₄ P ₃ /C-deeltjes werden direct gestold op een metalen substraat via impactconsolidatie, zonder een bindmiddel aan te brengen. De stabiliteit van de laad- en ontlaadcyclus werd verbeterd door zowel gecomplexeerde koolstof als een gecontroleerd elektrisch potentiaalvenster voor lithiumextractie. Deze bevinding zou kunnen helpen bij het realiseren van geavanceerde lithium-ionbatterijen met een hogere capaciteit.

Lithium-ion (Li-ion) batterijen worden veel gebruikt als stroombron in draagbare elektronische apparaten. Ze hebben onlangs veel aandacht getrokken vanwege hun potentieel om op grote schaal te worden ingezet als krachtbron voor elektrische voertuigen en plug-in hybride elektrische voertuigen, en als stationaire energieopslagsystemen voor hernieuwbare energie. Om geavanceerde Li-ion-batterijen met een hogere energiedichtheid te realiseren, anodematerialen met een hogere capaciteit zijn vereist. Hoewel een paar Li-legeringen zoals Li-Si en Li-Sn, waarvan de theoretische capaciteit veel hoger is dan die van grafiet (theoretische gravimetrische capaciteit =372 mAh/g), uitgebreid bestudeerd, ze resulteren in het algemeen in een slechte fietsstabiliteit vanwege de grote variatie in volume tijdens laad- en ontlaadreacties.

Tinfosfide (Sn ₄ P ₃ , theoretische gravimetrische capaciteit =1255 mAh/g) met een gelaagde structuur, algemeen gebruikt als anodemateriaal op basis van legering met hoge capaciteit voor Li-ionbatterijen, heeft een gemiddeld bedrijfspotentieel van - 0,5 V vs. Li/Li ⁺ . Rapporten geven aan dat het complexeren van koolstofmaterialen met nanogestructureerde Sn ₄ P ₃ deeltjes verbeteren de fietsstabiliteit aanzienlijk. Over het algemeen, elektroden die in batterijen worden gebruikt, worden vervaardigd door een suspensie te coaten die bestaat uit actieve materialen voor de elektroden, geleidende koolstofadditieven, en bindmiddelen op metaalfolies. Voor met koolstof gecomplexeerde Sn ₄ P ₃ (Sn ₄ P ₃ /C) anodes (zoals vermeld in de literatuur), de gewichtsfractie van de actieve materialen in een elektrode wordt met ongeveer 60-70% verlaagd vanwege het gebruik van aanzienlijke hoeveelheden geleidende additieven en bindmiddelen om stabiele cycli te bereiken. Bijgevolg, de gravimetrische specifieke capaciteit per elektrodegewicht (inclusief die van geleidende koolstofadditieven en bindmiddelen) wordt aanzienlijk verlaagd.

Onderzoekers van de afdeling Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi-universiteit voor technologie, hebben met succes een bindmiddelloze Sn . gefabriceerd ₄ P ₃ /C composietfilmelektrode voor Li-ion batterijanoden via aerosolafzetting (AD). In dit proces, de sn ₄ P ₃ deeltjes worden gecomplexeerd met acetyleenzwart met behulp van een eenvoudige kogelfreesmethode; de verkregen Sn ₄ P ₃ /C-deeltjes worden vervolgens direct gestold op een metalen substraat via impactconsolidatie zonder toevoeging van andere geleidende additieven of bindmiddelen. Met deze methode kan de fractie van Sn . worden verbeterd ₄ P ₃ in de composiet tot boven de 80%. Verder, structurele verandering van de composietelektrode wordt verminderd en de cyclusstabiliteit is verbeterd voor zowel gecomplexeerde koolstof als gecontroleerd elektrisch potentiaalvenster voor lithiumextractiereactie. de sn ₄ P ₃ /C composietfilm vervaardigd door het AD-proces behoudt gravimetrische capaciteiten van ongeveer 730 mAh g _-1 , 500 mAh g _-1 , en 400 mAh g _-1 bij 100 _e , 200 _e , en 400 _e cycli, respectievelijk.

De eerste auteur Toki Moritaka wordt als volgt geciteerd:"Hoewel het optimaliseren van de depositieomstandigheden moeilijk was, nuttige informatie over het verbeteren van de fietsstabiliteit van de Sn ₄ P ₃ /C composietfilmelektrode vervaardigd door het AD-proces werd verkregen. De gecomplexeerde koolstof fungeert niet alleen als een buffer om de ineenstorting van elektroden te onderdrukken, veroorzaakt door de grote variatie in volume van Sn ₄ P ₃ , maar ook als een elektronisch geleidingspad tussen de vernevelde actieve materiaaldeeltjes in de composiet."

"Dit proces is een effectief middel om de capaciteitswaarde per elektrodegewicht te verhogen. We zijn van mening dat er ruimte is voor verbetering van de elektrochemische prestaties door de grootte en het gehalte van de koolstof in Sn ₄ P ₃ /C gebruikt bij de fabricage van composietfilms volgens het AD-proces. We proberen nu het gecomplexeerde koolstofgehalte te optimaliseren en de dikte van de composietfilm te vergroten, " citeert universitair hoofddocent Ryoji Inada.

De bevindingen van deze studie kunnen bijdragen aan de realisatie van geavanceerde Li-ion batterijen met een hogere capaciteit. Bovendien, omdat niet alleen Li maar Na ook kan worden opgeslagen in en geëxtraheerd uit Sn ₄ P ₃ door soortgelijke legerings- en ontledingsreacties, de sn ₄ P ₃ elektrode kan tegen veel lagere kosten worden gebruikt in Na-ion-batterijen van de volgende generatie.