• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Aluminium kan ge en stor ökning av kapaciteten och kraften hos litiumjonbatterier

    En ny "yolk-and-shell" nanopartikel kan öka kapaciteten och kraften hos litiumjonbatterier. Den grå sfären i mitten representerar en nanopartikel av aluminium, bildar "äggulan". Det yttre ljusblå lagret representerar ett fast skal av titandioxid, och utrymmet mellan äggulan och skalet gör att äggulan kan expandera och dra ihop sig utan att skada skalet. I bakgrunden är en faktisk svepelektronmikroskopbild av en samling av dessa äggula-skal nanopartiklar. Kredit:Christine Daniloff/MIT

    Ett stort problem för elektroder i uppladdningsbara batterier, när de går igenom upprepade cykler av laddning och urladdning, är att de måste expandera och krympa under varje cykel – ibland fördubblas i volym, och sedan krympa tillbaka. Detta kan leda till upprepad utsöndring och reformering av dess "hud"-lager som förbrukar litium irreversibelt, försämrar batteriets prestanda över tid.

    Nu har ett team av forskare vid MIT och Tsinghua University i Kina hittat en ny väg kring det problemet:att skapa en elektrod gjord av nanopartiklar med ett fast skal, och en "äggula" inuti som kan ändra storlek om och om igen utan att påverka skalet. Innovationen kan drastiskt förbättra cykellivslängden, laget säger, och ger en dramatisk ökning av batteriets kapacitet och kraft.

    De nya rönen, som använder aluminium som nyckelmaterial för litiumjonbatteriets negativa elektrod, eller anod, redovisas i journalen Naturkommunikation , i en artikel av MIT-professor Ju Li och sex andra. Användningen av nanopartiklar med en aluminiumäggula och ett titandioxidskal har visat sig vara "den höghastighetsmästaren bland högkapacitetsanoder, " rapporterar laget.

    De flesta nuvarande litiumjonbatterier - den mest använda formen av laddningsbara batterier - använder anoder gjorda av grafit, en form av kol. Grafit har en laddningslagringskapacitet på 0,35 amperetimmar per gram (Ah/g); under många år, forskare har undersökt andra alternativ som skulle ge större energilagring för en given vikt. Litiummetall, till exempel, kan lagra cirka 10 gånger så mycket energi per gram, men det är extremt farligt, kan kortsluta eller till och med fatta eld. Kisel och tenn har mycket hög kapacitet, men kapaciteten sjunker vid höga laddnings- och urladdningshastigheter.

    Aluminium är ett billigt alternativ med en teoretisk kapacitet på 2 Ah/g. Men aluminium och andra material med hög kapacitet, Li säger, "expanderar mycket när de når hög kapacitet, när de absorberar litium. Och så krymper de, när man släpper ut litium."

    Denna expansion och sammandragning av aluminiumpartiklar genererar stor mekanisk påfrestning, vilket kan göra att elektriska kontakter kopplas bort. Också, den flytande elektrolyten i kontakt med aluminium kommer alltid att sönderdelas vid de erforderliga laddnings-/urladdningsspänningarna, bildar en hud som kallas solid-electrolyte interphase (SEI) lager, vilket skulle vara ok om inte för den upprepade stora volymexpansionen och krympningen som gör att SEI-partiklar tappas ut. Som ett resultat, tidigare försök att utveckla en aluminiumelektrod för litiumjonbatterier hade misslyckats.

    Det var där idén att använda instängt aluminium i form av en äggula-skal nanopartikel kom in. Inom nanoteknikbranschen, det är stor skillnad mellan det som kallas "kärnskal" och "äggula-skal" nanopartiklar. De förra har ett skal som är bundet direkt till kärnan, men äggula-skalpartiklarna har ett tomrum mellan de två - motsvarande var äggvitan skulle vara. Som ett resultat, "äggula"-materialet kan expandera och dra ihop sig fritt, med liten effekt på "skalets" dimensioner och stabilitet.

    "Vi gjorde ett titanoxidskal, "Li säger, "som skiljer aluminiumet från den flytande elektrolyten" mellan batteriets två elektroder. Skalet expanderar eller krymper inte mycket, han säger, så SEI-beläggningen på skalet är mycket stabil och faller inte av, och aluminiumet inuti är skyddat från direkt kontakt med elektrolyten.

    Teamet planerade det inte på det sättet, säger Li, Battelle Energy Alliance professor i kärnteknik och kärnteknik, som har en gemensam anställning vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik.

    "Vi kom på metoden utan tvekan, det var en slumpmässig upptäckt, " säger han. Aluminiumpartiklarna de använde, som är cirka 50 nanometer i diameter, har naturligt ett oxiderat lager av aluminiumoxid (Al2O3). "Vi behövde bli av med det, eftersom det inte är bra för den elektriska ledningsförmågan, " säger Li.

    Det slutade med att de omvandlade aluminiumoxidskiktet till titandioxid (TiO2), en bättre ledare av elektroner och litiumjoner när den är mycket tunn. Aluminiumpulver placerades i svavelsyra mättad med titanoxisulfat. När aluminiumoxiden reagerar med svavelsyra, överskottsvatten frigörs som reagerar med titanoxisulfat och bildar ett fast skal av titanhydroxid med en tjocklek på 3 till 4 nanometer. Vad som är förvånande är att även om detta fasta skal bildas nästan omedelbart, om partiklarna stannar i syran några timmar till, aluminiumkärnan krymper kontinuerligt för att bli en 30-nm-tvärs "äggula, ", vilket visar att små joner kan ta sig igenom skalet.

    Partiklarna behandlas sedan för att få de slutliga aluminium-titanoxid (ATO) äggula-skal-partiklarna. Efter att ha testats genom 500 laddnings-urladdningscykler, titaniska skalet blir lite tjockare, Li säger, men insidan av elektroden förblir ren utan ansamling av SEI, bevisar att skalet helt omsluter aluminiumet samtidigt som litiumjoner och elektroner kan komma in och ut. Resultatet är en elektrod som ger mer än tre gånger kapaciteten av grafit (1,2 Ah/g) vid normal laddningshastighet, säger Li. Vid mycket snabba laddningshastigheter (sex minuter till full laddning), kapaciteten är fortfarande 0,66 Ah/g efter 500 cykler.

    Materialen är billiga, och tillverkningsmetoden kan vara enkel och lätt skalbar, säger Li. För applikationer som kräver ett batteri med hög ström- och energidensitet, han säger, "Det är förmodligen det bästa anodmaterialet som finns." Fullcellstester med litiumjärnfosfat som katod har varit framgångsrika, vilket indikerar att ATO är ganska nära att vara redo för riktiga tillämpningar.

    "Dessa äggula-skalpartiklar visar mycket imponerande prestanda i tester i laboratorieskala, säger David Lou, en docent i kemisk och biomolekylär teknik vid Nanyang Technological University i Singapore, som inte var involverad i detta arbete. "Till mig, den mest attraktiva poängen med detta arbete är att processen verkar enkel och skalbar."

    Det finns mycket arbete inom batteriområdet som använder "komplicerad syntes med sofistikerade faciliteter, Lou tillägger, men sådana system "kommer sannolikt inte att ha effekt för riktiga batterier. ... Enkla saker gör verklig inverkan på batteriområdet."

    Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.




    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com