V příští generaci lithiových baterií bude použit nový typ anody na bázi olova

Lithium-iontové baterie poskytují energii pro všechna zařízení, od chytrých telefonů přes notebooky až po elektrická vozidla. Vědci z celého světa hledali nové a vylepšené komponenty pro výrobu lepších baterií pro tyto a další aplikace.

Vědci z Argonne National Laboratory amerického ministerstva energetiky (DOE) oznámili novou elektrodu navrženou pro lithium-iontové baterie využívající levné materiály, jako je olovo a uhlík. K tomuto významnému objevu přispěli také vědci z Northwestern University, Brookhaven National Laboratory a Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

Eungje Lee, hlavní autor a vědecký pracovník pro chemické vědy a inženýrství (CSE) na Argonne University, uvedl: „Náš výzkum má vzrušující důsledky pro navrhování levných, vysoce výkonných a udržitelných lithium-iontových baterií, které mohou poskytovat energii pro hybridní a všechna elektrická vozidla."

Principem činnosti lithium-iontových baterií je vložení iontů lithia do anody během nabíjení a jejich odstranění během vybíjení. Současná grafitová anoda může podstoupit tisíce takových cyklů vybíjení nabití, ale zdá se, že dosáhla svého limitu, pokud jde o kapacitu akumulace energie.

Lee řekl: "Rozhodli jsme se studovat olovo jako náhradu za grafit jako anodový materiál. Olovo je obzvláště atraktivní, protože je levné a levné. Navíc díky dlouhé historii olověných baterií poskytujících pomocné napájení pro automobily , má kompletní dodavatelský řetězec a je jedním z nejvíce recyklovaných materiálů na světě. Ve Spojených státech je současná míra obnovy olova 99%.

Li dodal: "Naše nová anoda může poskytnout nový zdroj příjmů pro velký průmysl, který se v současnosti zabývá výrobou a recyklací olověných baterií."

Anodou týmu není obyčejná olověná deska, ale nespočet mikroskopických částic se složitou strukturou: nanočástice olova zapuštěné v uhlíkové matrici a obklopené tenkou slupkou oxidu olovnatého. Ačkoli tato struktura zní složitě, tým vynalezl jednoduchou, nízkonákladovou výrobní metodu.

"Naše metoda zahrnuje smíchání velkých částic oxidu olovnatého s uhlíkovým práškem a několik hodin oscilace, dokud se nevytvoří mikroskopické částice s požadovanou strukturou jádra a obalu," vysvětlil Christopher Johnson, hlavní výzkumník projektu a vynikající výzkumník v Argonne, CSE.

Testy provedené v laboratorních bateriích s více než 100 cykly nabití a vybití ukázaly, že kapacita akumulace energie nové nanokompozitní anody na bázi olova je dvojnásobná oproti současné grafitové anodě (standardizované pro stejnou hmotnost). Stabilní výkon během procesu cyklování je možný, protože malé velikosti částic mohou zmírnit napětí, zatímco uhlíková matrice poskytuje požadovanou vodivost a působí jako nárazník, aby se zabránilo poškození objemové expanze během procesu cyklování. Výzkumný tým také zjistil, že přidání malého množství fluoroethylkarbonátu do standardního elektrolytu výrazně zlepšuje výkon.

Výzkumníci studovali nabíjecí a vybíjecí mechanismy anody v GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS) provozovaném Chicagskou univerzitou se sídlem v Argoně, DOE Science User Facility Office. Prostřednictvím synchrotronové rentgenové difrakce jsou schopny sledovat fázový přechod materiálů negativní elektrody během nabíjení a vybíjení. Tyto výsledky charakterizace v kombinaci s výsledky shromážděnými Střediskem pro charakterizaci atomů a nanoměřítek na Northwestern University a DOE User Facility National Synchrotron Light Source II v Brookhavenu odhalují elektrochemické reakce, ke kterým dochází mezi ionty olova a lithia během nabíjení a vybíjení. dříve neznámý.

Lee řekl: "Tento základní pohled může být důležitý pro pochopení reakčního mechanismu mezi olověnými a křemíkovými anodami."

Silikonová anoda je další levnou a vysoce výkonnou volbou pro příští generaci lithium-iontových baterií.

Johnson řekl: "Náš objev zpochybňuje současné chápání tohoto materiálu elektrod." Náš objev také poskytuje vzrušující důsledky pro navrhování levných, vysoce výkonných anodových materiálů pro přepravu a pevné skladování energie, jako jsou záložní zdroje energie pro rozvodnou síť. "

Práce týmu byla publikována v nedávno publikovaných Advanced Functional Materials.