Rice Universitys ingenjörer byggde fulla litiumjonbatterier med kiselanoder och ett aluminiumoxidskikt för att skydda katoder från nedbrytning. Genom att begränsa deras energitäthet, batterierna lovar utmärkt stabilitet för transport och nätlagring. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Processen att utveckla bättre uppladdningsbara batterier kan vara grumlig, men det finns ett foder av aluminiumoxid.
Ett tunt lager av metalloxiden som applicerades på vanliga katoder av ingenjörer vid Rice Universitys Brown School of Engineering avslöjade nya fenomen som kan leda till batterier som är bättre anpassade för elbilar och mer robust energilagring utanför nätet.
Studien i American Chemical Society's ACS Applied Energy Materials beskriver en tidigare okänd mekanism genom vilken litium fastnar i batterier, vilket begränsar antalet gånger den kan laddas och laddas ur med full effekt.
Men den egenskapen dämpar inte hoppet om att i vissa situationer, sådana batterier kan vara helt rätt.
Rislabbet av kemi- och biomolekylär ingenjör Sibani Lisa Biswal hittade en söt punkt i batterierna som, genom att inte maximera sin lagringskapacitet, kan ge stabil och stabil cykling för applikationer som behöver det.
Biswal sa att konventionella litiumjonbatterier använder grafitbaserade anoder som har en kapacitet på mindre än 400 milliampere timmar per gram (mAh/g), men kiselanoder har potentiellt 10 gånger den kapaciteten. Det kommer med en nackdel:kisel expanderar när det legerar med litium, stressar anoden. Genom att göra kislet poröst och begränsa dess kapacitet till 1, 000 mAh/g, lagets testbatterier gav stabil cykling med fortfarande utmärkt kapacitet.
Rice University postdoktor Anulekha Haridas har ett fullcells litiumjonbatteri byggt för att testa effekten av en aluminiumoxidbeläggning på katoden. Beläggningen i nanoskala skyddar katoder från nedbrytning. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
"Maximal kapacitet sätter mycket stress på materialet, så det här är en strategi för att få kapacitet utan samma grad av stress, "Sa Biswal." 1, 000 milliampere timmar per gram är fortfarande ett stort hopp."
Teamet ledd av postdoktor Anulekha Haridas testade konceptet att para ihop de porösa, högkapacitets kiselanoder (i stället för grafit) med högspänningssnickelmangankoboltoxid (NMC) katoder. De fullcellade litiumjonbatterierna visade stabil cyklbarhet vid 1, 000 mAh/g över hundratals cykler.
Vissa katoder hade ett 3-nanometer skikt av aluminiumoxid (applicerat via atomskiktsavsättning), och några gjorde det inte. De med aluminiumoxidbeläggningen skyddade katoden från att brytas ner i närvaro av fluorvätesyra, som bildas om ens små mängder vatten invaderar den flytande elektrolyten. Tester visade att aluminiumoxiden också accelererade batteriets laddningshastighet, minska antalet gånger den kan laddas och laddas ur.
Det verkar finnas omfattande fångst som ett resultat av den snabba litiumtransporten genom aluminiumoxid, Sa Haridas. Forskarna kände redan till möjliga sätt att kiselanoder fångar litium, gör den otillgänglig för att driva enheter, men hon sa att detta är den första rapporten om att aluminiumoxiden själv absorberar litium tills den är mättad. Vid det tillfället, Hon sa, skiktet blir en katalysator för snabb transport till och från katoden.
Rice Universitys ingenjörer byggde litiumjonbatterier med kiselanoder och ett aluminiumoxidskikt för att skydda katoder från nedbrytning. Kredit:Biswal Lab/Rice University
"Denna litiuminfångningsmekanism skyddar effektivt katoden genom att hjälpa till att upprätthålla en stabil kapacitet och energitäthet för de fulla cellerna, Sa Haridas.
Medförfattare är Rice-studenterna Quan Anh Nguyen och Botao Farren Song, och Rachel Blaser, en forsknings- och utvecklingsingenjör vid Ford Motor Co. Biswal är professor i kemisk och biomolekylär teknik och i materialvetenskap och nanoteknik. Fords universitetsforskningsprogram stödde forskningen.
