Hard koolstof-tin nano-composiet creëert een krachtige batterijanode

Naarmate de vraag blijft groeien naar batterijen die in staat zijn tot ultrasnelle laad- en hoge energiedichtheid in verschillende sectoren-van elektrische voertuigen tot grootschalige energieopslagsystemen (ESS)-een gezamenlijk onderzoeksteam van Postech (Pohang University of Science and Technology) en het Korea Institute of Energy Research (Kier) heeft een veelbelovend volgende generatie-anodemateriaal ontwikkeld dat deze kritische behoeften kan aanpakken. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek ACS nano.

Hoewel grafiet, het meest voorkomende anodemateriaal in lithium-ionbatterijen (LIB’s), robuuste structurele stabiliteit biedt, wordt het beperkt door de lage theoretische capaciteit en trage lading/ontladingssnelheden. Om deze beperkingen te overwinnen, hebben de onderzoekers een nieuw elektrode -ontwerp voorgesteld dat harde koolstof combineert met TIN (SN).

Hard koolstof is een ongeordend koolstofmateriaal met een overvloed aan microporiën en routes, waardoor snelle diffusie van lithium- en natriumionen wordt vergemakkelijkt. Deze structuur maakt zowel hoge energieopslag als mechanische robuustheid mogelijk, waardoor het ideaal is voor hoogrente en lange-levenstoepassingen.

Het opnemen van tin werd echter een andere uitdaging aangeboden. Hoe kleiner de tinnen deeltjes, hoe effectiever de problematische volume -expansie tijdens het fietsen wordt verminderd, waardoor de algehele stabiliteit wordt verbeterd. Helaas, tin’S laag smeltpunt (∼230 ° C) maakt het moeilijk om dergelijke fijne deeltjes te synthetiseren. Het onderzoeksteam heeft dit probleem aangepakt met behulp van een SOL-gelproces gevolgd door thermische reductie, met succes uniform verdeelde sub-10 nm tin nanodeeltjes in de harde koolstofmatrix inbedden.

De resulterende samengestelde structuur vertoont functionele synergie verder dan eenvoudige fysieke menging. De tinnen nanodeeltjes werken niet alleen als actieve materialen, maar dienen ook als katalysatoren die de kristallisatie van de omringende harde koolstof bevorderen. Tijdens elektrochemische fietsen draagt ​​de omkeerbare vorming van SN – O -bindingen bij aan het verbeteren van de batterijcapaciteit via conversiereacties.

De gemanipuleerde elektrode heeft uitstekende prestaties aangetoond in lithium-ioncellen, waardoor de stabiele werking meer dan 1500 cycli onder 20 minuten snellaadomstandigheden wordt gehandhaafd, terwijl een 1,5-voudige hogere volumetrische energiedichtheid wordt bereikt in vergelijking met conventionele grafietanodes. Deze prestatie vertegenwoordigt een succesvolle integratie van hoog vermogen, hoge energie en lange cyclus levensduur in één elektrode.

Opmerkelijk is dat de elektrode ook uitstekende prestaties vertoont in natriumbatterijen (SIB’s). Natriumionen vertonen over het algemeen een slechte reactiviteit met conventionele anodematerialen zoals grafiet of silicium. De harde koolstof-tin nano-composietstructuur handhaaft echter uitstekende stabiliteit en snelle kinetiek in natriumomgevingen, waardoor de veelzijdigheid op meerdere batterijplatforms wordt onderstreept.

Professor Soojin Park van Postech verklaarde: “Dit onderzoek vertegenwoordigt een nieuwe mijlpaal bij de ontwikkeling van de volgende generatie krachtige batterijen en belooft belofte voor toepassingen in elektrische voertuigen, hybride systemen en rasterschaal ess.”

Dr. Gyujin Song van Kier voegde eraan toe: “De realisatie van een anode met gelijktijdig hoog vermogen, stabiliteit en energiedichtheid, samen met zijn compatibiliteit met natriumion-ionensystemen, markeert een keerpunt in de oplaadbare batterijmarkt.”

Dit werk werd uitgevoerd door professor Soojin Park, Dr. Sungho Choi en Dr. Dong-Yeob Han in Postech, in samenwerking met Dr. Gyujin Song in Kier.