Wetenschappers van het Argonne National Laboratory hebben vooruitgang geboekt in de richting van een lithium-ionbatterij met een hogere capaciteit om aan de stijgende vraag van de consument te voldoen.

Met het groeiend aantal elektrische voertuigen op de weg en een toenemende afhankelijkheid van consumentenelektronica, de vraag naar de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen (LIB's) die een hogere energiecapaciteit aankunnen, is nog nooit zo groot geweest, of de hoeveelheid lading die in de batterij is opgeslagen.

Een manier om de totale energiecapaciteit van LIB's te vergroten, is door de energiecapaciteit van de anode te vergroten, of de negatieve elektrode. De afgelopen decennia is state-of-the-art LIB's zijn gemaakt met grafietanodes. De energiecapaciteit van grafiet is stabiel, wat betekent dat de capaciteit niet vervaagt, en het materiaal barst niet, zelfs niet na meer dan 1000 volledige laad-ontlaadcycli. Echter, grafiet heeft een lage theoretische energiecapaciteit, die niet kunnen voldoen aan de toenemende energiebehoefte van de huidige samenleving.

In een nieuwe studie, een team onder leiding van onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft het toegenomen vermogen van een potentieel nieuw, anodemateriaal met een hogere capaciteit. Dit composietmateriaal was oorspronkelijk ontwikkeld voor natriumionbatterijen, die minder vaak commercieel worden gebruikt dan lithium-ionbatterijen. Deze nieuwe studie probeerde het materiaal toe te passen op lithium-ionbatterijen.

Onlangs, twee materialen hebben een voortrekkersrol gespeeld bij het onderzoek naar batterijanoden van de volgende generatie:silicium en fosfor. Zowel silicium als fosfor hebben een theoretische energiecapaciteit die minstens 10 keer groter is dan grafiet, wat betekent dat ze de energiecapaciteitsvereisten voor LIB's zouden kunnen overtreffen. Volgens senior materiaalwetenschapper en Argonne Distinguished Fellow Khalil Amine, de hoofdonderzoeker van de Argonne-studie, silicium heeft twee grote problemen. Het eerste probleem betreft de grote volume-uitbreiding wanneer silicium wordt gelithieerd tijdens het opladen, waardoor het anodemateriaal waarschijnlijk uit elkaar zou vallen. Kraken zou leiden tot verlies van energiecapaciteit, hij legde uit.

Het tweede probleem betreft een term die initiële coulombefficiëntie (ICE) wordt genoemd. Wanneer een batterij een volledige laad-ontlaadcyclus doorloopt, de laaduitgang van de batterij moet theoretisch overeenkomen met de laadingang. Echter, enige energie in de ladingsoutput gaat verloren aan het lithium dat reageert met het anodemateriaal. Om een ​​praktische LIB te ontwikkelen, de verhouding van de laaduitgang ten opzichte van de laadingang bij de eerste laad-ontlaadcyclus moet meer dan 90% zijn. Deze verhouding is de ICE. Met silicium, de ICE is minder dan 80%, die Amine heeft uitgelegd, maakt het onhaalbaar voor praktisch gebruik.

In hun onderzoek hebben Amine, Argonne-chemicus Gui-Liang Xu, en hun collega's onderzochten twee mogelijke soorten fosfor:zwarte en rode fosfor. "Fosfor heeft een zeer hoge energiecapaciteit, " zei Xu. "Toen we het materiaal verkenden, we ontdekten dat ons anodemateriaal een zeer hoge ICE heeft van meer dan 90%."

Een ICE van meer dan 90% toont aan dat er zeer weinig nevenreacties optreden tussen het anodemateriaal en de elektrolyt, er gaat dus niet veel lithium verloren tijdens het eerste opladen en ontladen.

Het team creëerde hun eigen anodecomposiet dat voornamelijk bestaat uit zwarte fosfor - een sterk geleidende vorm van fosfor met een hoge theoretische capaciteit - en geleidende koolstofverbindingen.

Om de composiet te maken, de onderzoekers vermalen het bulkfosformateriaal en geleidende koolstof tot deeltjes van micrometerformaat, waardoor de dichtheid van de anode toeneemt.

Bij het meten van de levenscycli, of het totale aantal keren dat een batterij kan worden opgeladen en ontladen, Amine en zijn collega's wendden zich tot Argonne's Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanoscale Materials (CNM), beide DOE Office of Science Gebruikersfaciliteiten. Gebruikmakend van in-situ opslagringlichtbron röntgendiffractie bij de APS en in-situ scanning elektronenmicroscopie bij de CNM, het team observeerde de fase- en volumetransformatie van de anode tijdens herhaaldelijk opladen en ontladen.

"Argonne heeft unieke vaardigheden die beschikbaar zijn bij de APS en CNM, " zei Xu. "Met de lichtbron van de opbergring, we kunnen de fasetransformatie onderzoeken tijdens lithiëring en delithiatie, waardoor we de omkeerbaarheid van de reactie kunnen zien."

Na het tonen van de stabiliteit van de zwarte fosforcomposiet, het team onderzocht een composiet met rode fosfor in plaats van zwarte fosfor. zwarte fosfor, hoewel aanzienlijk meer geleidend dan rode fosfor, is te duur voor praktisch gebruik in de markt. Met de rode fosforcomposiet, wat een economisch haalbare optie is, de batterij vertoonde een vergelijkbare stabiliteit en hoge ICE, met een zeer hoge praktische capaciteit.

Het team werkt momenteel aan een composietmateriaal dat voornamelijk bestaat uit rode fosfor, en het materiaal laat veelbelovende resultaten zien, zei Xu. "We proberen een samenwerking aan te gaan met industriële partners, zodat we dit materiaal kunnen opschalen, zodat het in de toekomst gecommercialiseerd kan worden."

Het onderzoekspaper over de studie, "Een praktisch op fosfor gebaseerd anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen met hoge energie, " verscheen online op 26 april, 2020, in nano-energie.