Ученые из U.S. Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE) сообщает о новой конструкции электрода для литий-ионной батареи с использованием недорогих материалов, свинца, а также углерода. Среди авторов этого важного открытия также ученые из Северо-Западного университета, Брукхейвенской национальной лаборатории и Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST).
«Наше исследование имеет большое значение для разработки недорогих, высокопроизводительных и экологически безопасных литий-ионных аккумуляторов, которые могут питать гибридные и полностью электрические автомобили», – сказал Юндж Ли, главный автор и ученый-материаловед в Аргоннском отделении химических наук и инженерии (CSE). разделение.
Литий-ионные батареи работают за счет введения ионов лития в анод во время заряда и их удаления во время разряда. Современные графитовые аноды могут работать в течение тысяч таких циклов заряда-разряда, но, похоже, достигли своего предела с точки зрения емкости хранения энергии.
«Мы решили изучить свинец как интересную альтернативу графиту в качестве материала анода», – сказал Ли. Свинец особенно привлекателен тем, что его много и недорого.
Кроме того, он имеет хорошо налаженную цепочку поставок благодаря долгой истории использования свинцово-кислотных аккумуляторов, обеспечивающих дополнительное питание автомобилей, и является одним из наиболее перерабатываемых материалов в мире. В настоящее время уровень переработки свинца в США составляет 99%.
«Наш новый анод может обеспечить новый поток доходов для крупной отрасли, которая в настоящее время занимается производством и переработкой свинцово-кислотных аккумуляторов», – добавил Ли.
Анод команды – это не простой кусок свинца, а бесчисленные микроскопические частицы со сложной структурой: наночастицы свинца, встроенные в углеродную матрицу и заключенные в тонкую оболочку из оксида свинца.
Хотя эта структура кажется сложной, команда изобрела простой и недорогой метод ее изготовления.
«Наш метод включает в себя встряхивание в течение нескольких часов больших частиц оксида свинца, смешанных с углеродным порошком, до тех пор, пока они не образуют микроскопические частицы с желаемой структурой ядро-оболочка», – пояснил Кристофер Джонсон, главный исследователь проекта и заслуженный научный сотрудник Аргоннского университета. разделение.
Испытания в лабораторных элементах в течение более 100 циклов заряда-разряда показали, что новый нанокомпозитный анод на основе свинца достиг вдвое большей емкости накопления энергии, чем нынешние графитовые аноды (с нормированием на тот же вес).
Стабильная работа во время цикла была возможна, потому что небольшой размер частиц снимал напряжения, в то время как углеродная матрица обеспечивала необходимую электрическую проводимость и действовала как буфер против разрушающего расширения объема во время цикла. Команда также обнаружила, что добавление небольшого количества фторэтиленкарбоната к стандартному электролиту значительно улучшает производительность.
Исследователи исследовали механизм заряда-разряда своего анода в Центре перспективных источников излучения GeoSoilEnviro (GSECARS), находящемся в ведении Чикагского университета, в Аргоннском Advanced Photon Source, офисе Министерства энергетики США.
С помощью синхротронной дифракции рентгеновских лучей они могли отслеживать изменения фаз материала анода во время его зарядки и разрядки. Эти результаты характеризации в сочетании с результатами, полученными в Центре атомных и наноразмерных характеристик Северо-Западного университета и Национальном источнике синхротронного света II, пользовательском центре Министерства энергетики в Брукхейвене, выявили ранее неизвестную электрохимическую реакцию между ионами свинца и лития, которая происходит при зарядке и разряде.
«Это фундаментальное понимание может оказаться важным для понимания механизма реакции не только свинцовых, но и кремниевых анодов», – сказал Ли.
Кремниевый анод – еще один недорогой и высокопроизводительный кандидат для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения.
«Наше открытие бросает вызов нынешнему пониманию этого типа электродного материала», – отметил Джонсон. «Наши результаты также обеспечивают захватывающие последствия для разработки недорогих, высокопроизводительных анодных материалов для транспортировки и стационарного хранения энергии, например, резервного питания для электрической сети."
Статья команды появилась в недавнем специальном выпуске Advanced Functional Materials, посвященном 98-летию Джона Б. Гуденаф, один из лауреатов Нобелевской премии по химии 2019 года за разработку литий-ионной батареи.
Помимо Джонсона и Ли, среди аргоннских авторов есть Джинхёп Хан, Сон-Бом Сон, Джихён Гим и Чи Чеунг Су. Другие авторы: Jehee Park (UNIST), Seong-Min Bak (Brookhaven), Cesar Villa (Northwestern), Xiaobing Hu (Northwestern), Vinayak P. Дравид (Северо-Запад) и Янгсик Ким (ЮНИСТ).
Исследовательская группа получила поддержку со стороны Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, Управления автомобильных технологий (исследование материалов для аккумуляторов).