Forskare vid Argonne National Laboratory har gjort framsteg mot ett litiumjonbatteri med högre kapacitet för att möta konsumenternas ökande efterfrågan.

Med det växande antalet elfordon på vägen och ett ökande beroende av konsumentelektronik, efterfrågan har aldrig varit större för utveckling av litiumjonbatterier (LIB) som kan upprätthålla en högre energikapacitet, eller mängden laddning som lagras i batteriet.

Ett sätt att öka den totala energikapaciteten hos LIB är att öka anodens energikapacitet, eller den negativa elektroden. Under de senaste decennierna, toppmoderna LIB:er har tillverkats med grafitanoder. Grafits energikapacitet är stabil, vilket betyder att kapaciteten inte bleknar, och materialet spricker inte ens efter mer än 1000 fulla laddnings-urladdningscykler. Dock, grafit har en låg teoretisk energikapacitet, som inte kan möta de ökande energibehoven i dagens samhälle.

I en ny studie, ett team ledd av forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har visat den ökade förmågan hos en potentiell ny, anodmaterial med högre kapacitet. Detta kompositmaterial hade ursprungligen utvecklats för natriumjonbatterier, som används mer sällan kommersiellt än litiumjonbatterier. Denna nya studie försökte tillämpa materialet på litiumjonbatterier.

Nyligen, två material har legat i framkant av forskningen för nästa generations batterianoder – kisel och fosfor. Både kisel och fosfor har en teoretisk energikapacitet som är minst 10 gånger större än grafit, vilket innebär att de kan överträffa energikapacitetskraven för LIB. Enligt senior materialforskare och Argonne Distinguished Fellow Khalil Amine, huvudforskaren i Argonne-studien, kisel har två stora problem. Det första problemet handlar om expansion i hög volym när kisel lithieras under laddning, vilket sannolikt skulle få anodmaterialet att brytas isär. Sprickbildning skulle leda till förlust av energikapacitet, han förklarade.

Den andra frågan handlar om en term som kallas initial coulombic efficiency (ICE). När ett batteri går igenom en full laddnings-urladdningscykel, laddningsutgången för batteriet bör teoretiskt överensstämma med laddningsingången. Dock, viss energi i laddningsutgången går förlorad till litiumet som reagerar med anodmaterialet. För att utveckla en praktisk LIB, förhållandet mellan laddningseffekten jämfört med laddningsinmatningen vid den första laddnings-urladdningscykeln bör vara över 90 %. Detta förhållande är ICE. Med kisel, ICE är mindre än 80 %, vilket Amine förklarade gör det omöjligt för praktiskt bruk.

I sin forskning, amin, Argonne kemist Gui-Liang Xu, och deras kollegor undersökte två potentiella typer av fosfor:svart och röd fosfor. "Fosfor har en mycket hög energikapacitet, " sa Xu. "När vi utforskade materialet, vi fann att vårt anodmaterial har en mycket hög ICE på mer än 90 %."

En ICE på mer än 90% visar att mycket få sidoreaktioner inträffar mellan anodmaterialet och elektrolyten, så inte mycket litium förloras under den första laddningen och urladdningen.

Teamet skapade sin egen anodkomposit som huvudsakligen består av svart fosfor - en mycket ledande form av fosfor med hög teoretisk kapacitet - och ledande kolföreningar.

För att skapa kompositen, forskarna malde bulkfosformaterialet och ledande kol till mikrometerstora partiklar, vilket ökar anodens densitet.

När man mäter livscyklerna, eller det totala antalet gånger ett batteri kan laddas och laddas ur, Amine och hans kollegor vände sig till Argonnes Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanoscale Materials (CNM), både DOE Office of Science användarfaciliteter. Använder in situ lagringsring ljuskälla röntgendiffraktion vid APS och in situ scanning elektronmikroskopi vid CNM, teamet observerade anodens fas- och volymtransformation under upprepad laddning och urladdning.

"Argonne har unika förmågor tillgängliga på APS och CNM, " Sa Xu. "Med lagringsringen ljuskälla, vi kan undersöka fastransformationen under lithiation och delithiation, vilket gör att vi kan se reaktionens reversibilitet."

Efter att ha visat stabiliteten hos den svarta fosforkompositen, teamet undersökte en komposit med röd fosfor istället för svart fosfor. Svart fosfor, även om det är betydligt mer ledande än röd fosfor, är för dyrt för praktisk användning på marknaden. Med den röda fosforkompositen, vilket är ett ekonomiskt lönsamt alternativ, batteriet visade en liknande stabilitet och hög ICE, med mycket hög praktisk kapacitet.

Teamet arbetar för närvarande på ett kompositmaterial som mestadels består av röd fosfor, och materialet visar lovande resultat, sa Xu. "Vi försöker inleda samarbete med industripartner så att vi kan skala upp det här materialet, så det kan kommersialiseras i framtiden."

Forskningsdokumentet om studien, "Ett praktiskt fosforbaserat anodmaterial för högenergilitiumjonbatterier, " dök upp online den 26 april, 2020, i Nano Energy.