Litiumjonbatterier (LIB) som fungerar som högpresterande strömkällor för förnybara applikationer, som elfordon och hemelektronik, kräver elektroder som levererar hög energitäthet utan att kompromissa med cellernas livslängd.

I den Journal of Vacuum Science and Technology A , forskare undersöker ursprunget till nedbrytning i LIB-katodmaterial med hög energitäthet och utvecklar strategier för att mildra dessa nedbrytningsmekanismer och förbättra LIB-prestanda.

Deras forskning kan vara värdefull för många nya tillämpningar, särskilt elfordon och energilagring på nätnivå för förnybara energikällor, som vind och sol.

"De flesta av nedbrytningsmekanismerna i LIBs inträffar vid elektrodytorna som är i kontakt med elektrolyten, ", sa författaren Mark Hersam. "Vi försökte förstå kemin vid dessa ytor och sedan utveckla strategier för att minimera nedbrytningen."

Forskarna använde ytkemisk karakterisering som en strategi för att identifiera och minimera kvarvarande hydroxid- och karbonatföroreningar från syntesen av NCA (nickel, kobolt, aluminium) nanopartiklar. De insåg att LIB-katodytorna först behövde förberedas genom lämplig glödgning, en process genom vilken katodnanopartiklarna värms upp för att avlägsna föroreningar på ytan, och sedan låst in i de önskvärda strukturerna med en atomärt tunn grafenbeläggning.

De grafenbelagda NCA nanopartiklarna, som formulerades till LIB-katoder, visade superlativa elektrokemiska egenskaper, inklusive låg impedans, hög prestanda, hög volymetrisk energi och effekttätheter, och långa cykellivslängder. Grafenbeläggningen fungerade också som en barriär mellan elektrodytan och elektrolyten, vilket ytterligare förbättrade celllivslängden.

Medan forskarna trodde att grafenbeläggningen ensam skulle vara tillräcklig för att förbättra prestandan, deras resultat avslöjade vikten av att förglödga katodmaterialen för att optimera deras ytkemi innan grafenbeläggningen applicerades.

Medan detta arbete fokuserade på nickelrika LIB-katoder, metodiken skulle kunna generaliseras till andra energilagringselektroder, såsom natriumjon- eller magnesiumjonbatterier, som innehåller nanostrukturerade material med stor yta. Följaktligen, detta arbete skapar en tydlig väg framåt för att förverkliga högpresterande, nanopartikelbaserade energilagringsenheter.

"Vårt tillvägagångssätt kan också tillämpas för att förbättra prestanda hos anoder i LIB och relaterade energilagringsteknologier, sade Hersam. Till slut, du måste optimera både anoden och katoden för att uppnå bästa möjliga batteriprestanda."