Herontwerpen van lithium-ion batterijanodes voor betere prestaties

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory hebben vooruitgang geboekt op weg naar een lithium-ionbatterij met een hogere capaciteit om aan de stijgende consumentenvraag te voldoen.

Met het groeiende aantal elektrische voertuigen op de weg en een toenemende afhankelijkheid van consumentenelektronica, is er nog nooit zo veel vraag geweest naar de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen (LIB’s) die een hogere energiecapaciteit of de hoeveelheid lading die in de batterij is opgeslagen, kunnen ondersteunen.

Een manier om de algehele energiecapaciteit van LIB’s te vergroten, is door de energiecapaciteit van de anode of de negatieve elektrode te vergroten. De afgelopen decennia zijn ultramoderne LIB’s gemaakt met grafietanodes. De energiecapaciteit van grafiet is stabiel, wat betekent dat de capaciteit niet vervaagt en dat het materiaal niet barst, zelfs niet na meer dan 1000 volledige ontladingscycli. Grafiet heeft echter een lage theoretische energiecapaciteit, die niet kan voldoen aan de toenemende energiebehoeften van de huidige samenleving.

In een nieuwe studie heeft een team onder leiding van onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) het verhoogde vermogen van een mogelijk nieuw anodemateriaal met een hogere capaciteit aangetoond. Dit composietmateriaal was oorspronkelijk ontwikkeld voor natrium-ionbatterijen, die minder commercieel worden gebruikt dan lithium-ionbatterijen. In deze nieuwe studie werd geprobeerd het materiaal toe te passen op lithium-ionbatterijen.

Onlangs liepen twee materialen voorop in het onderzoek naar batterijanodes van de volgende generatie: silicium en fosfor. Zowel silicium als fosfor hebben een theoretische energiecapaciteit die minstens 10 keer groter is dan grafiet, wat betekent dat ze de energiecapaciteitsvereisten voor LIB’s zouden kunnen overtreffen. Volgens senior materiaalwetenschapper en Argonne Distinguished Fellow Khalil Amine, de hoofdonderzoeker van de Argonne-studie, heeft silicium twee belangrijke problemen. Het eerste probleem betreft de expansie met hoog volume wanneer silicium tijdens het opladen gelithieerd wordt, waardoor het anodemateriaal waarschijnlijk uiteen zou vallen. Kraken zou leiden tot verlies van energiecapaciteit, legde hij uit.

Het tweede probleem betreft een term die initiële coulomb-efficiëntie (ICE) wordt genoemd. Wanneer een batterij een volledige laad-ontlaadcyclus doorloopt, moet de laadoutput van de accu in theorie overeenkomen met de laadinput. Er gaat echter wat energie in de ladingoutput verloren aan het lithium dat reageert met het anodemateriaal. Om een ​​praktische LIB te ontwikkelen, moet de verhouding van de ladingoutput in vergelijking met de ladinginput tijdens de eerste lading-ontlaadcyclus hoger zijn dan 90%. Deze verhouding is de ICE. Met silicium is de ICE minder dan 80%, wat Amine uitlegde maakt het onhaalbaar voor praktisch gebruik.

In hun onderzoek verkenden Amine, Argonne-chemicus Gui-Liang Xu en hun collega’s twee mogelijke soorten fosfor: zwarte en rode fosfor. ‘Fosfor heeft een zeer hoge energiecapaciteit’, zei Xu. “Toen we het materiaal verkenden, ontdekten we dat ons anodemateriaal een zeer hoge ICE van meer dan 90% heeft.”

Een ICE van meer dan 90% laat zien dat er zeer weinig nevenreacties optreden tussen het anodemateriaal en de elektrolyt, dus er gaat niet veel lithium verloren tijdens het eerste laden en ontladen.

Het team creëerde hun eigen anodecomposiet, voornamelijk samengesteld uit zwarte fosfor – een sterk geleidende vorm van fosfor met een hoge theoretische capaciteit – en geleidende koolstofverbindingen.

Om de composiet te maken, vermalen de onderzoekers het bulkfosformateriaal en geleidende koolstof tot deeltjes van micrometerformaat, waardoor de dichtheid van de anode toeneemt.

Bij het meten van de levenscycli, of het totale aantal keren dat een batterij kan worden opgeladen en ontladen, wendden Amine en zijn collega’s zich tot Argonne’s Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanoscale Materials (CNM), beide DOE Office of Science User Facilities. Met behulp van in-situ opslagring lichtbron röntgendiffractie bij de APS en in-situ scanning-elektronenmicroscopie bij de CNM, observeerde het team de fase- en volumetransformatie van de anode tijdens herhaald laden en ontladen.

“Argonne heeft unieke vaardigheden die beschikbaar zijn bij de APS en CNM,” zei Xu. “Met de lichtbron met opslagring kunnen we de fasetransformatie tijdens lithiatie en delithiation onderzoeken, waardoor we de omkeerbaarheid van de reactie kunnen zien.”

Nadat de stabiliteit van de zwarte fosforcomposiet was aangetoond, onderzocht het team een ​​composiet met rode fosfor in plaats van zwarte fosfor. Zwarte fosfor, hoewel aanzienlijk beter geleidend dan rode fosfor, is te duur voor praktisch gebruik in de markt. Met het rode fosforcomposiet, wat een economisch haalbare optie is, vertoonde de batterij een vergelijkbare stabiliteit en hoge ICE, met een zeer hoge praktische capaciteit.

Het team werkt momenteel aan een composietmateriaal dat voornamelijk is gemaakt van rode fosfor en het materiaal laat veelbelovende resultaten zien, zei Xu. “We proberen samenwerking met industriepartners aan te gaan zodat we dit materiaal kunnen opschalen, zodat het in de toekomst kan worden gecommercialiseerd.”

Het onderzoekspaper over de studie, “Een praktisch op fosfor gebaseerd anodemateriaal voor hoogenergetische lithium-ionbatterijen”, verscheen op 26 april 2020 online in Nano Energy.