Yuan Yang, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Columbia Engineering, har utvecklat en ny metod för att öka energitätheten för litium (Li-ion) batterier. Han har byggt en trilagerstruktur som är stabil även i omgivande luft, vilket gör batteriet både längre och billigare att tillverka. Arbetet, vilket kan förbättra energitätheten för litiumbatterier med 10-30%, publiceras online idag Nano bokstäver .

"När litiumbatterier laddas första gången, de tappar någonstans från 5-20% energi under den första cykeln, "säger Yang." Genom vår design, vi har kunnat vinna tillbaka denna förlust, och vi tror att vår metod har stor potential att öka batteritiden för bärbar elektronik och elfordon. "

Under den första laddningen av ett litiumbatteri efter dess produktion, en del flytande elektrolyt reduceras till en fast fas och beläggs på batteriets negativa elektrod. Denna process, vanligtvis gjort innan batterier skickas från en fabrik, är irreversibel och sänker energin som lagras i batteriet. Förlusten är cirka 10% för toppmoderna negativa elektroder, men kan nå så högt som 20-30% för nästa generations negativa elektroder med hög kapacitet, som kisel, eftersom dessa material har stor volymexpansion och hög ytarea. Den stora initiala förlusten minskar uppnåelig kapacitet i en full cell och äventyrar därmed vinsten i energitäthet och cykelliv för dessa nanostrukturerade elektroder.

Det traditionella tillvägagångssättet för att kompensera för denna förlust har varit att sätta vissa litiumrika material i elektroden. Dock, de flesta av dessa material är inte stabila i omgivande luft. Tillverkning av batterier i torr luft, som inte har någon fukt alls, är en mycket dyrare process än tillverkning i omgivande luft. Yang har utvecklat en ny elektrodstruktur med tre lager för att tillverka litierade batterianoder i omgivande luft. I dessa elektroder, han skyddade litiumet med ett lager av polymeren PMMA för att förhindra att litium reagerar med luft och fukt, och belagde sedan PMMA med sådana aktiva material som konstgjord grafit eller kiselnanopartiklar. PMMA -skiktet löstes sedan i batterielektrolyten, sålunda exponeras litiumet för elektrodmaterialen. "På så sätt kunde vi undvika kontakt med luft mellan instabilt litium och en litierad elektrod, "Yang förklarar, "så att den trelagerstrukturerade elektroden kan drivas i omgivande luft. Detta kan vara ett attraktivt framsteg mot massproduktion av litierade batterielektroder."

Yangs metod sänkte förlustkapaciteten i toppmoderna grafitelektroder från 8% till 0,3%, och i kiselelektroder, från 13% till -15%. Siffran -15% indikerar att det fanns mer litium än nödvändigt, och "extra" litium kan användas för att ytterligare förbättra batteriets livslängd, eftersom överskottet kan kompensera för kapacitetsförlust i efterföljande cykler. Eftersom energitätheten, eller kapacitet, av litiumjonbatterier har ökat med 5-7% årligen under de senaste 25 åren, Yangs resultat pekar på en möjlig lösning för att öka kapaciteten hos litiumjonbatterier. Hans grupp försöker nu minska tjockleken på polymerbeläggningen så att den kommer att uppta en mindre volym i litiumbatteriet, och att skala upp hans teknik.

"Denna trelags elektrodstruktur är verkligen en smart design som möjliggör bearbetning av litiummetallinnehållande elektroder under omgivande förhållanden, "konstaterar Hailiang Wang, biträdande professor i kemi vid Yale University, som inte var inblandad i studien. "Elektrodernas första Coulombic-effektivitet är ett stort problem för litiumjonbatteriindustrin, och denna effektiva och lättanvända teknik för att kompensera irreversibel litiumförlust kommer att väcka intresse. "