Forskare vid USC Viterbi School of Engineering har förbättrat prestanda och kapacitet hos litiumbatterier genom att utveckla bättre presterande, billigare material för användning i anoder och katoder (negativa och positiva elektroder, respektive).
Litiumjonbatterier är en populär typ av uppladdningsbara batterier som vanligtvis finns i bärbar elektronik och el- eller hybridbilar. Traditionellt, litiumjonbatterier innehåller en grafitanod, men kisel har nyligen dykt upp som ett lovande anodersättning eftersom det är det näst vanligaste grundämnet på jorden och har en teoretisk kapacitet på 3600 milliampere timmar per gram (mAh/g), nästan 10 gånger kapaciteten för grafit. Kapaciteten hos ett litiumjonbatteri bestäms av hur många litiumjoner som kan lagras i katoden och anoden. Att använda kisel i anoden ökar batteriets kapacitet dramatiskt eftersom en kiselatom kan binda upp till 3,75 litiumjoner, medan med en grafitanod behövs sex kolatomer för varje litiumatom.
USC Viterbi-teamet utvecklade en kostnadseffektiv (och därför kommersiellt gångbar) kiselanod med en stabil kapacitet över 1100 mAh/g under längre 600 cykler, vilket gör deras anod nästan tre gånger mer kraftfull och håller längre än en vanlig kommersiell anod.
Fram till nyligen, den framgångsrika implementeringen av kiselanoder i litiumjonbatterier stod inför ett stort hinder:den allvarliga pulveriseringen av elektroden på grund av volymexpansionen och indragningen som uppstår vid användning av kisel. Förra året, samma team ledd av USC Viterbi elektroteknikprofessor Chongwu Zhou utvecklade en framgångsrik anoddesign med porösa kiselnanotrådar som gjorde att materialet kunde expandera och dra ihop sig utan att gå sönder, effektivt lösa pulveriseringsproblemet.
Denna lösning gav ett nytt problem, Men metoden att producera nanostrukturerat kisel var oöverkomligt dyr för kommersiell användning.
Oavskräckt, doktorand Mingyuan Ge och andra medlemmar i Zhous team byggde på sitt tidigare arbete för att utveckla en kostnadseffektiv metod för att producera porösa kiselpartiklar genom de enkla och billiga metoderna kulfräsning och fläcketsning.
"Vår metod att producera nanoporösa kiselanoder är låg kostnad och skalbar för massproduktion inom industriell tillverkning, vilket gör kisel till ett lovande anodmaterial för nästa generations litiumjonbatterier, ", sa Zhou. "Vi tror att det är det mest lovande sättet att applicera kiselanoder i litiumjonbatterier för att förbättra kapacitet och prestanda."
Dessutom, Doktorand Jiepeng Rong och andra teammedlemmar utvecklade en metod för att belägga svavelpulver med grafenoxid för att förbättra prestanda i litium-svavelbatterier. Svavel har varit en lovande katodkandidat i många år på grund av sin höga teoretiska kapacitet, vilket är över 10 gånger större än det för traditionella metalloxid- eller fosfatkatoder. Elementärt svavel är också rikligt, billig, och har låg toxicitet. Dock, den praktiska tillämpningen av svavel har i hög grad hindrats av utmaningar inklusive dålig ledningsförmåga och dålig cyklbarhet, vilket innebär att batteriet tappar ström efter varje laddning och dör efter ett lägre antal laddningar.
Deras forskning visade att en grafenoxidbeläggning över svavel kan lösa båda problemen. Grafenoxid har unika egenskaper som hög yta, kemisk stabilitet, mekanisk styrka och flexibilitet, och används därför ofta för att belägga kärnmaterial i produkter som sensorer eller solceller för att förbättra deras prestanda. Teamets grafenoxidbeläggning förbättrade svavelkatodens kapacitet till 800 mAh/g för 1000 cykler av laddning/urladdning, vilket är över 5 gånger kapaciteten för kommersiella katoder.
Zhou och hans team publicerade nyligen sina resultat på kiselanoder i Nanobokstäver [1]. Tidningen var ett samarbete mellan Zhou, USC Viterbi doktorander Mingyuan Ge, Jiepeng Rong, och Xin Fang, samt Matthew Mecklenburg från Center for Electron Microscopy and Microanalysis vid USC, och forskare från Kinas Zhejiang University och Lawrence Berkeley National Laboratory. Separat, Zhou, Rong, Ge, och Fang publicerade också resultat i Nanobokstäver om deras metod att enkelt producera grafenbelagda svavelkatoder för litiumjonbatterier [2].
Nu när deras separata tester av de negativa och positiva elektroderna har gett utmärkta resultat, teamet arbetar nu med att testa dem tillsammans i ett komplett batteri. De kommer sedan att integrera kiselanoden med svavelkatoden, såväl som med andra traditionella katodmaterial, för att maximera litiumjonbatteriets kapacitet och övergripande prestanda.
"Så långt vi kan säga, vår teknologi med både kiselanod och svavelkatod är bland de mest kostnadseffektiva lösningarna och visar därför lovande för kommersialisering för att göra nästa generations litiumjonbatterier för att driva bärbar elektronik och elfordon, " sa USC Viterbi doktorand Rong.
