In de volgende generatie lithiumbatterijen zal een nieuw type loodgebaseerde anode worden gebruikt

Lithium-ionbatterijen leveren stroom voor alle apparaten, van smartphones tot laptops en elektrische voertuigen. Wetenschappers over de hele wereld zijn op zoek naar nieuwe en verbeterde componenten om betere batterijen voor deze en andere toepassingen te vervaardigen.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) hebben een nieuwe elektrode gerapporteerd die is ontworpen voor lithium-ionbatterijen die gebruik maken van goedkope materialen zoals lood en koolstof. Tot de bijdragen aan deze belangrijke ontdekking behoren ook wetenschappers van de Northwestern University, het Brookhaven National Laboratory en het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

Eungje Lee, hoofdauteur en materiaalwetenschapper van Chemical Science and Engineering (CSE) aan de Universiteit van Argonne, verklaarde: “Ons onderzoek heeft opwindende implicaties voor het ontwerpen van goedkope, krachtige en duurzame lithium-ionbatterijen die energie kunnen leveren voor hybride batterijen. en alle elektrische voertuigen.".

Het werkingsprincipe van lithium-ionbatterijen is om tijdens het opladen lithiumionen in de anode te plaatsen en deze tijdens het ontladen te verwijderen. De huidige grafietanode kan duizenden van dergelijke ladingsontladingscycli ondergaan, maar lijkt zijn limiet te hebben bereikt in termen van energieopslagcapaciteit.

Lee zei: "We hebben besloten lood te bestuderen als vervanging voor grafiet als anodemateriaal. Lood is bijzonder aantrekkelijk omdat het zowel goedkoop als goedkoop is. Bovendien, vanwege de lange geschiedenis van loodzuurbatterijen die hulpenergie voor auto's leveren , het heeft een complete toeleveringsketen en is een van de meest gerecycleerde materialen ter wereld. In de Verenigde Staten bedraagt ​​het huidige loodterugwinningspercentage 99%.

Li voegde hieraan toe: "Onze nieuwe anode kan een nieuwe bron van inkomsten bieden voor de grote industrie die zich momenteel bezighoudt met de productie en recycling van loodzuurbatterijen."

De anode van het team is geen gewone loden plaat, maar talloze microscopisch kleine deeltjes met complexe structuren: loodnanodeeltjes ingebed in een koolstofmatrix en omgeven door een dunne schil van loodoxide. Hoewel deze structuur complex klinkt, heeft het team een ​​eenvoudige, goedkope productiemethode bedacht.

"Onze methode omvat het mengen van grote loodoxidedeeltjes met koolstofpoeder en het enkele uren oscilleren totdat microscopisch kleine deeltjes met de gewenste kern-schilstructuur worden gevormd", legt Christopher Johnson uit, de hoofdonderzoeker van het project en uitmuntend onderzoeker bij Argonne, CSE.

Tests uitgevoerd in laboratoriumbatterijen met meer dan 100 ontladingscycli hebben aangetoond dat de energieopslagcapaciteit van de nieuwe op lood gebaseerde nanocomposietanode twee keer zo groot is als die van de huidige grafietanode (gestandaardiseerd voor hetzelfde gewicht). Stabiele prestaties tijdens het cyclische proces zijn mogelijk, omdat kleine deeltjesgroottes stress kunnen verlichten, terwijl de koolstofmatrix de vereiste geleidbaarheid biedt en als buffer fungeert om schade aan volume-expansie tijdens het cyclische proces te voorkomen. Het onderzoeksteam ontdekte ook dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid fluorethylcarbonaat aan de standaardelektrolyt de prestaties aanzienlijk verbetert.

Onderzoekers bestudeerden de laad- en ontlaadmechanismen van de anode in het GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS), beheerd door de Universiteit van Chicago, gevestigd in Argona, het DOE Science User Facility Office. Via synchrotron-röntgendiffractie kunnen ze de faseovergang van negatieve elektrodematerialen volgen tijdens het opladen en ontladen. Deze karakteriseringsresultaten, gecombineerd met de resultaten verzameld door het Atomic and Nanoscale Characterization Center van Northwestern University en de DOE User Facility National Synchrotron Light Source II in Brookhaven, onthullen de elektrochemische reacties die optreden tussen lood- en lithiumionen tijdens het opladen en ontladen. voorheen onbekend.

Lee zei: "Dit fundamentele inzicht kan belangrijk zijn voor het begrijpen van het reactiemechanisme tussen lood- en siliciumanodes."

Siliciumanode is een andere goedkope en krachtige keuze voor de volgende generatie lithium-ionbatterijen.

Johnson zei: "Onze ontdekking daagt het huidige begrip van dit elektrodemateriaal uit." Onze ontdekking biedt ook opwindende implicaties voor het ontwerpen van goedkope, hoogwaardige anodematerialen voor transport en vaste energieopslag, zoals back-upstroombronnen voor het elektriciteitsnet. "

Het artikel van het team werd gepubliceerd in het onlangs gepubliceerde Advanced Functional Materials.