Ett team av forskare från Shinshu University i Nagano, Japan är nu närmare en tunn, litiumjonbatteri med hög kapacitet som kan öppna dörren till bättre energilagringssystem för elfordon. Forskargruppen leddes av professor Katsuya Teshima, chef för Center for Energy and Environmental Science (CEES) vid Shinshu University i Japan. De publicerade sina insikter online i augusti i Vetenskapliga rapporter .

"Litiumjonbatterier är mycket lovande energilagringssystem för elfordon som kräver relativt höga energitätheter, "sa författaren Nobuyuki Zettsu, en professor i CEES och vid Institutionen för materialkemi vid Shinshu University. "Dock, deras höga driftspänningar resulterar vanligtvis i oxidativ sönderdelning av elektrodytan, som därefter främjar olika sidreaktioner. "

Litiumjonbatterier lagrar mycket energi, men kraften som krävs för att få batteriet att sprida energin är för mycket - så mycket, faktiskt, att den resulterande skadan gör att batteriet förlorar lagringskapacitet.

För att bekämpa denna fråga, Zettsu och kollegor undersökte de elektriska och elektrokemiska egenskaperna hos högspänningen (> 4,8 V, vs Li+/Li) katod, där elektronerna kommer in i battericellen.

"Många forskare har försökt att minska den observerade kapaciteten som bleknar genom minskningen av direktkontaktområdet, "Sa Zettsu, pekar på forskningsprojekt där forskare täckte katodens yta med olika material i ett försök att minska erosion. "Olika grundläggande studier har utförts för att undersöka effekterna av ytbeläggningsmodifieringen, men ingen av dem ledde till en betydande prestandaförbättring av högspänningskatodbaserade battericeller. "

Zettsu kan ha vänt tidvattnet på ytmodifierare genom att använda ett självmonterat monoskikt. Hans team applicerade en ultratunn beläggning av fluoroalkylisilan på katodernas yta. Fluoroalkylisilan, en typ av silikon, organiserar sig till det mest effektiva arrangemanget för att leda litiumjoner och isolera elektroner medan de bara förblir en atom tjock.

"Vi upptäckte ... att beläggning av det aktiva materialets yta med ett självmonterat monoskikt ... främjade effektiv transport inom elektroderna, samtidigt som de undertrycker de sidoreaktioner som uppstår vid elektrod- och elektrolytgränssnittet, "Zettsu sa." Denna beläggning gav förbättring av både effekttätheten och cyklibiliteten i högspännings litiumjonbatterier. "

Forskarna såg att den direkta kontakten mellan katoden och elektrolyten som kom in i batteriet var minimerad, och att batteriets kapacitet inte försämrades även efter att det cyklats hundra gånger.

"De deponerade självmonterade monoskiktsbeläggningarna reducerade aktiveringsbarriären för litiumjonöverföringen och stabiliserade joner nära ytan, som positivt påverkade de elektrokemiska reaktionerna som uppstår vid gränssnittet mellan elektroden och elektrolyten, "Zettsu sa." Ytstabiliseringsbeläggningarna representerar en spelförändrande teknik för utveckling av högspänningskatodmaterial utan begränsning av det elektrokemiska dilemmat om effektivitet kontra stabilisering. "

Dock, Zettsu sa, alla effekter som ytbeläggningen ger på hela batterisystemet måste undersökas mer i detalj för att bättre förstå eventuella negativa biverkningar.

"Våra resultat kan ge nya riktningar för att designa litiumjonbatterier baserade på högspänningssystem med överlägsen elektrokemisk prestanda, "Sa Zettsu.

Zettsu planerar att introducera denna ytbehandlingsteknik på marknaden år 2022 i samarbete med bil- och celltillverkare, i syfte att skapa högenergibatterier som också är miljövänliga.

"På grund av världens miljöbestämmelser, trycket mot el- och hybridbilar fortskrider i stadig takt. Prestandanivån som krävs för litiumjonbatterier är mycket hög, "Sa Zettsu." För närvarande, vi arbetar med att tillverka verkliga battericeller för plug-in-hybridfordon och batterielektriska fordon med beläggningsprocessen och experiment i automatiska körlägen. "