Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory har funnit att litiumjonbatterier fungerar längre och snabbare när deras elektroder behandlas med väte.

Litiumjonbatterier (LIB) är en klass av laddningsbara batterityper där litiumjoner rör sig från den negativa elektroden till den positiva elektroden under urladdning och tillbaka vid laddning.

Den växande efterfrågan på energilagring understryker det akuta behovet av batterier med högre prestanda. Flera nyckelegenskaper hos litiumjonbatteriets prestanda – kapacitet, spänning och energitäthet – bestäms i slutändan av bindningen mellan litiumjoner och elektrodmaterialet. Subtila förändringar i strukturen, kemi och form på en elektrod kan avsevärt påverka hur starkt litiumjoner binder till den.

Genom experiment och beräkningar, Livermore-teamet upptäckte att vätebehandlade grafen-nanoskumelektroder i LIB:erna visar högre kapacitet och snabbare transport.

"Dessa resultat ger kvalitativa insikter för att hjälpa designen av grafenbaserade material för högeffektselektroder, sa Morris Wang, en LLNL materialforskare och medförfattare till en artikel som visas i den 5 november upplagan av Nature Vetenskapliga rapporter .

Litiumjonbatterier växer i popularitet för elfordon och flygtillämpningar. Till exempel, litiumjonbatterier håller på att bli en vanlig ersättning för blybatterier som historiskt har använts för golfbilar och nyttofordon. Istället för tunga blyplattor och sura elektrolyter, trenden är att använda lätta litiumjonbatterier som kan ge samma spänning som blybatterier utan att behöva modifiera fordonets drivsystem.

Kommersiella tillämpningar av grafenmaterial för energilagringsenheter, inklusive litiumjonbatterier och superkondensatorer, hänga kritiskt på förmågan att producera dessa material i stora kvantiteter och till låg kostnad. Dock, de kemiska syntesmetoderna som ofta används lämnar efter sig betydande mängder atomärt väte, vars effekt på grafenderivats elektrokemiska prestanda är svår att fastställa.

Ändå gjorde Livermore-forskare just det. Deras experiment och flerskaleberäkningar visar att medveten lågtemperaturbehandling av defektrik grafen med väte faktiskt kan förbättra hastighetskapaciteten. Väte interagerar med defekterna i grafenet och öppnar små luckor för att underlätta litiumpenetration, vilket förbättrar transporten. Ytterligare reversibel kapacitet tillhandahålls av förbättrad litiumbindning nära kanterna, där väte är mest sannolikt att binda.

"Prestandaförbättringen vi har sett i elektroderna är ett genombrott som har verkliga tillämpningar, sade Jianchao Ye, som är postdoc-forskare vid labbets materialvetenskapsavdelning, och tidningens ledande författare.

Att studera inblandningen av väte och hydrerade defekter i litiumlagringsförmågan hos grafen, teamet tillämpade olika värmebehandlingsförhållanden i kombination med väteexponering och undersökte den elektrokemiska prestandan hos 3-D) grafen nanofoam (GNF) elektroder, som huvudsakligen består av defekt grafen. Teamet använde 3-D grafen nanoskum på grund av deras många potentiella tillämpningar, inklusive vätelagring, katalys, filtrering, isolering, energiabsorbenter, kapacitiv avsaltning, superkondensatorer och LIB.

Den bindemedelsfria naturen hos grafen 3D-skum gör dem idealiska för mekanistiska studier utan de komplikationer som orsakas av tillsatser.

"Vi hittade en drastiskt förbättrad hastighetskapacitet i grafen-nanoskumelektroder efter vätebehandling. Genom att kombinera de experimentella resultaten med detaljerade simuleringar, vi kunde spåra förbättringarna av subtila interaktioner mellan defekter och dissocierat väte. Detta resulterar i några små förändringar i grafenkemin och morfologin som visar sig ha en förvånansvärt stor effekt på prestanda, " sa LLNL-forskaren Brandon Wood, som styrde teorisatsningen på tidningen.

Forskningen tyder på att kontrollerad vätebehandling kan användas som en strategi för att optimera litiumtransport och reversibel lagring i andra grafenbaserade anodmaterial.