Li-metaalbatterij met hoge capaciteit met verbeterde snelheid en stabiliteit

Een studie van Li-metaalbatterijen door het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Byung Gon Kim van het Next-Generation Battery Research Center van het Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) werd gepubliceerd als voorblad in het internationale tijdschrift ACS Nano.

Terwijl de huidige Li-ion-batterijen energie genereren door Li-ionen in en uit de grafietanode te halen op basis van het intercalatiemechanisme, vertrouwt de Li-metaalbatterij niet op dit omvangrijke en zware grafiet, maar gebruikt het metallische Li zelf als anode. Aangezien het Li-metaal een 10 keer hogere theoretische capaciteit (3.860 mAh/g) heeft dan grafiet (372 mAh/g), heeft het gestaag veel aandacht gekregen van gebieden die batterijen met een hoge capaciteit nodig hebben, zoals elektrische voertuigen en energieopslagsystemen.

Ondanks dit voordeel kan Li groeien in de vorm van een boomtak, een Li-dendriet genaamd, als het niet gelijkmatig en effectief wordt opgeslagen tijdens het cyclusproces, wat leidt tot een grote volume-expansie van de elektrode, wat op zijn beurt de levensduur van de batterij kan verkorten en veiligheidsproblemen veroorzaken, zoals brand en explosie veroorzaakt door interne kortsluitingen.

Om dit probleem aan te pakken, ontwikkelde KERI een 1D Li-begrensde poreuze koolstofstructuur met een holle kern, en een klein aantal gouden nanodeeltjes met Li-affiniteit werden aan de holle kern toegevoegd. Hier regelt het goud de groeirichting van Li door bij voorkeur te reageren met Li, waardoor Li-afzetting in de kern wordt geïnduceerd. Bovendien worden in het schaalgedeelte veel poriën van nanogrootte gevormd om de Li-ion-beweging naar de kernruimte te verbeteren.

Een grote uitdaging die werd waargenomen in de bestaande holle kern-schaal Li-host was de Li-afzetting op de geleidende koolstofschaal, niet in de kern, onder hoge laadomstandigheden. Daarom heeft het KERI-team veel poriën van nanogrootte in de schaal geïntroduceerd en een aanzienlijk verbeterde coulomb-efficiëntie bereikt zonder Li-dendrietgroei, zelfs onder een hoge-stroomtestomstandigheid van 5 mA/cm².

Het team van Dr. Kim werkte samen met prof. Janghyuk Moon van de Chung-Ang University voor theoretische validatie van de effectiviteit van het ontwerp van dit materiaal, en de simulatieresultaten toonden aan dat de verminderde Li-iondiffusielengte door de schelpporiën en verbeterde Li-affiniteit door de gouden nanodeeltjes hield Li-afzetting in de structuur, zelfs onder laadcondities met hoge stroomsterkte. Bovendien vertoonde de ontworpen Li-host uitstekende fietsprestaties van meer dan 500 cycli onder een hoge stroomdichtheid van 4C-snelheid (82,5% capaciteitsbehoud). Het is ook opmerkelijk dat deze technologie praktisch is omdat het team de elektrospintechniek gebruikte met voordelen in massaproductie voor materiaalsynthese.

“Ondanks de verdienste van een hoge capaciteit, hebben de Li-metaalbatterijen veel hindernissen te overwinnen voor commercialisering, voornamelijk vanwege stabiliteits- en veiligheidsproblemen”, zei Dr. Kim. En Dr. Kim zei ook: “Onze studie is van onschatbare waarde omdat we een techniek hebben ontwikkeld voor massaproductie van Li-metaalreservoirs met een hoge coulombefficiëntie voor snel oplaadbare Li-metaalbatterijen.”

Deze studie van het KERI-onderzoeksteam werd gepubliceerd als een aanvullend voorblad in de augustus-editie van: ACS Nano.