Mitt i globala ansträngningar för koldioxidneutralitet, är biltillverkare över hela världen aktivt engagerade i forskning och utveckling för att konvertera förbränningsmotorfordon till elfordon. Konkurrensen om att förbättra batteriprestanda, som är kärnan i elfordon, hårdnar därför. Sedan deras kommersialisering 1991 har litiumjonbatterier haft en dominerande marknadsandel inom de flesta marknadssegment, från små hushållsapparater till elfordon, tack vare kontinuerlig förbättring av energitäthet och effektivitet. Vissa fenomen som inträffar inom sådana batterier är emellertid fortfarande inte väl förstådda, såsom expansion och försämring av anodmaterialet.

Korea Institute of Science and Technology meddelade att dess team ledd av Dr. Jae-Pyoung Ahn (Research Resources Division) och Dr. Hong-Kyu Kim (Advanced Analysis and Data Center) har lyckats i realtidsobservation av expansionen och försämring av anodmaterialet i batterier på grund av litiumjonernas rörelse. Teamets forskning publiceras i ACS Energy Letters .

Prestanda och livslängd för litiumjonbatterier är allmänt kända för att påverkas av olika förändringar som sker i de interna elektrodmaterialen under laddnings- och urladdningsprocesserna. Det är dock svårt att övervaka sådana förändringar under drift eftersom viktiga batterimaterial, såsom elektroder och elektrolyter, omedelbart förorenas när de exponeras för luften. Därför är noggrann observation och analys av strukturella förändringar i elektrodmaterialet under litiumjonmigrering den viktigaste faktorn för att förbättra prestanda och säkerhet.

I ett litiumjonbatteri rör sig litiumjonerna till anoden under laddning och till katoden under urladdning. KIST-forskargruppen lyckades observera en kisel-grafitkompositanod i realtid, som studeras för sin kommersiella användning som ett batteri med hög kapacitet. Teoretiskt är laddningskapaciteten för kisel 10 gånger högre än för grafit, ett konventionellt anodmaterial. Men volymen av kiselnanopulver fyrdubblas under laddningsprocessen, vilket gör det svårt att säkerställa prestanda och säkerhet. Det har antagits att de nanoporer som bildas under blandningen av beståndsdelarna i kisel-grafitkompositer kan rymma volymexpansionen av kisel under batteriladdning, och därigenom ändra batterivolymen. Rollen för dessa nanoporer har dock aldrig bekräftats genom direkt observation med elektrokemiska spänningskurvor.

Med hjälp av en egendesignad batterianalysplattform observerade KIST-forskargruppen direkt migreringen av litiumjoner in i kisel-grafitkompositanoden under laddning och identifierade nanoporernas praktiska roll. Det visade sig att litiumjoner migrerar sekventiellt in i kol, nanoporer och kisel i kisel-grafitkompositen. Vidare noterade forskargruppen att porerna i nanostorlek tenderar att lagra litiumjoner (förfyllande litium) före litium-kiselpartiklarna (Si-litium), medan porerna i mikrostorlek rymmer volymexpansionen av kisel som tidigare trott. Därför föreslår forskargruppen att ett nytt tillvägagångssätt som på lämpligt sätt fördelar porer i mikro- och nanostorlek för att lindra volymexpansionen av kisel, och därigenom förbättrar materialets säkerhet, är nödvändig för utformningen av anodmaterial med hög kapacitet för litium- jonbatterier.

"Precis som rymdteleskopet James Webb inleder en ny era inom utforskning av rymden, öppnar batterianalysplattformen KIST nya horisonter inom materialforskning genom att möjliggöra observation av strukturella förändringar i elektriska batterier", säger Dr Ahn, chef för KIST Research Resources Division . "Vi planerar att fortsätta den ytterligare forskning som krävs för att driva innovationer inom batterimaterialdesign, genom att observera strukturella förändringar i batterimaterial som inte påverkas av atmosfärisk exponering," sade han. + Utforska vidare

Förhindrar litiumförlust för högkapacitets litiumjonbatterier