De flesta befintliga litiumjonbatterier (LIB) integrerar grafitanoder, som har en kapacitet på cirka 350 milliampere timmar (mAh) per gram. Kapaciteten hos kiselanoder är nästan 10 gånger högre än hos deras grafitmotsvarigheter (cirka 2, 800 mAh per gram), och skulle därmed teoretiskt kunna möjliggöra utvecklingen av mer kompakta och lättare litiumbaserade batterier.

Trots sin högre kapacitet, kiselanoder har hittills inte kunnat konkurrera med grafitanoder, när kisel expanderar och drar ihop sig under batteridrift, så att anodernas yttre skyddsskikt lätt kan spricka medan ett batteri är i drift. I en nyligen publicerad tidning i Naturenergi , ett team av forskare vid University of Maryland College Park och Army Research Laboratory har rapporterat en ny elektrolytdesign som kan övervinna begränsningarna hos befintliga kiselanoder.

"Kiselanoder och deras formade solid electrolyte interphase (SEI) skyddande lager är lättare att pulverisera under batteridrift, eftersom SEI starkt binder till Si, så båda upplever en stor mängd förändringar, "Ji Chen, en av de ledande forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org.

SEI är ett skyddande skikt som bildas naturligt när anodpartiklar är i direkt kontakt med en elektrolyt. Detta lager fungerar som en barriär som förhindrar att ytterligare reaktioner inträffar inuti batteriet, separera anoden från elektrolyten.

"Om detta skyddsskikt skadas under Si-anodpartikelexpansion eller sammandragning, de nyligen exponerade anodpartiklarna reagerar kontinuerligt med elektrolyten tills den tar slut under battericykling, "Oleg Borodin, en senior kemist involverad i studien vid Army Research Laboratory, berättade för Phys.org.

I mer än ett decennium, forskargrupper över hela världen har försökt övervinna problemen som förhindrar användningen av kiselanoder i LIB, främst genom att designa flexibla och organiska SEI:er som expanderar med anoderna. De flesta av lösningarna de utvecklade, dock, har visat sig vara antingen helt ineffektiva eller milt effektiva, förhindrar således endast delvis SEI-skador.

"Under en lång tid, LIB:s forskarsamhälle har försökt att ta fram tekniker för att få högkapacitetsanoder som Si att fungera, " sa Chunsheng Wang, en professor vid Institutionen för kemi och biomolekylär teknik och Institutionen för kemi och biokemi vid University of Maryland (UMD), som också är UMD-direktör för Centrum för forskning inom extrema batterier. "Dessa forskare arbetade mestadels på Si-materialnivån genom att introducera dyra nanotillverkningsprocesser. Vi försökte ta itu med det här problemet annorlunda genom att designa elektrolyten och motsvarande SEI för högkapacitetsanoder."

Chen, Borodin, Wang och deras kollegor designade en elektrolyt som kunde förbättra prestandan hos mikrostora kiselanoder i LIB, förhindra skador på deras yttre skyddsbarriär. Jämfört med tidigare föreslagna lösningar, deras tillvägagångssätt minimerar avsevärt nedbrytning av elektrolyt, vilket tillåter mycket längre battericykling innan det förlorar sin kapacitet.

Det slutliga målet med forskarnas studie var att identifiera en universell, drop-in-lösning som skulle kunna underlätta utvecklingen av högkapacitetsanoder för Li-baserade batterier. För att uppnå detta, de designade elektrolyter med LiPF ₆ , ett toppmodernt salt, och en blandning av eterlösningsmedel, bildar ett mycket robust LiF-rikt SEI-skyddsskikt.

"Den speciella solvatiseringsstrukturen (interaktion mellan saltet och lösningsmedlet) och det stora gapet mellan reduktionstendensen hos saltet och lösningsmedlet främjar bildningen av en unik LiF-rik SEI på Si som är superhjälpsam för att cykla den höga kapaciteten Si-anoder, " Oleg förklarade. "Elektrolyten vi designade ger en drop-in-lösning för den nuvarande LIB-tekniken utan att kräva dyr bearbetning, samtidigt som man bibehåller en hög cykelstabilitet och Coulombic effektivitet (CE) som saknar motstycke."

Den senaste studien av Chen, Borodin, Wang och deras kollegor bevisar att att uppnå bra cykling och hög CE i LIB som innehåller kiselanoder är, faktiskt, möjlig, och att det kan uppnås helt enkelt genom att byta ut elektrolyten inuti ett batteri, som tidigare ansågs opraktisk eller helt ogenomförbar. Principen bakom deras elektrolytdesign skulle också teoretiskt kunna tillämpas på alla högkapacitetslegeringsanoder. I framtiden, denna design skulle kunna möjliggöra skapandet av bättre presterande litiumbaserade batterier som innehåller anoder baserade på andra material än grafit.

"Våra resultat pekar ut en ny riktning för elektrolytdesign och kan ge forskarteam världen över förtroende för tillämpningen av högkapacitetsanodmaterial i LIB, "Wang sa. "Våra nästa steg kommer att vara att förbättra spänningsfönstret för elektrolyten och försöka licensiera tekniken till batteritillverkare."

© 2020 Science X Network