Argonnes nya elektrolytblandning stabiliserar kiselanoder under cykling.

Litiumjonbatteriet finns överallt. På grund av dess mångsidighet, detta batteri kan skräddarsys för att driva mobiltelefoner, bärbara datorer, elverktyg eller elfordon. Det är nu källan till ett mångmiljardföretag årligen som fortsätter att växa varje år.

Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har utvecklat en ny elektrolytblandning och en enkel tillsats som kan ha en plats i nästa generation av litiumjonbatterier.

I många decennier, forskare har jaktat kraftigt efter nya elektrodmaterial och elektrolyter som kan producera en ny generation litiumjonbatterier som erbjuder mycket större energilagring samtidigt som de håller längre, kostar mindre och är säkrare. Denna nya generation kommer sannolikt att göra elfordon mer utbredd och påskynda elnätets expansion till förnybar energi genom billigare och mer tillförlitlig energilagring.

För forskare som utvecklar avancerade litiumjonbatterier, kiselanoden har varit den främsta kandidaten för att ersätta den nuvarande grafitanoden. Kisel har en betydande teoretisk fördel med energilagringskapacitet jämfört med grafit, att kunna lagra nästan tio gånger så mycket litium som grafit. Att öka kisel attraktivitet kommersiellt är dess låga kostnad. Det är det näst mest förekommande materialet i jordskorpan, och dess förekomst inom dator- och telekommunikationshårdvara betyder att det finns betydande bearbetningsteknologier.

"Men en stötesten har kvar " noterade Jack Vaughey, en senior kemist i Argonnes division Chemical Sciences and Engineering (CSE). "På cykling, en kiselbaserad anod i en litiumjoncell blir mycket reaktiv med elektrolyten, och denna process försämrar cellen med tiden, orsakar en förkortad cykellivslängd."

Litiumjonbatterielektrolyter innehåller för närvarande en lösningsmedelsblandning, med ett löst litiumsalt och minst en, ofta mer än tre organiska tillsatser. Argonne-forskare har utvecklat en unik elektrolyttillsatsstrategi - en liten mängd av ett andra salt som innehåller någon av flera dubbel- eller tredubbla metallkatjoner (Mg ²⁺ , Ca ²⁺ , Zn ²⁺ , eller Al ³⁺ ). Dessa förbättrade elektrolytblandningar, gemensamt kallad "MESA" (som står för blandade saltelektrolyter för kiselanoder), ger kiselanoder ökad yt- och bulkstabilitet, förbättra långsiktig cykling och kalenderliv.

"Vi har noggrant testat MESA -formuleringar med fulla celler tillverkade med standard kommersiellt relevanta elektroder, sa Baris Key, en kemist i CSE divisionen. "Den nya kemin är enkel, skalbar och helt kompatibel med befintlig batteriteknik."

"I detta projekt, vi hade stor nytta av Argonnes cellanalys, Modellering och prototyping (CAMP), " tillade Vaughey. "Det var där vi testade våra MESA-formuleringar.”

Argonne-forskarna undersökte också hur de MESA-innehållande elektrolyterna fungerar. Under laddning, metallkatjontillsatserna i elektrolytlösningen migrerar in i den kiselbaserade anoden tillsammans med litiumjonerna för att bilda litium-metall-kiselfaser, som är mer stabila än litium-kisel. Denna nya cellkemi minskar kraftigt de skadliga sidoreaktionerna mellan kiselanoden och elektrolyten som hade plågat cellerna med den traditionella elektrolyten. Av de fyra metallsalter som testades i celler, de tillsatta elektrolytsalterna med antingen magnesium (Mg ²⁺ ) eller kalcium (Ca ²⁺ ) katjoner visade sig fungera bäst under hundratals laddningsurladdningscykler. Energidensiteterna som erhölls med dessa celler överträffade de för jämförbara celler med grafitkemi med upp till 50 %.

"Baserat på dessa testresultat, sa Key, "Vi har all anledning att tro att om kiselanoder någonsin ersätter grafit eller utgör anoden i mer än några få procents koncentration, denna uppfinning kommer att vara en del av det och kan få långtgående effekter."