Използване на въглероден пълнител за подобряване на високоенергийни литиево-йонни батерии

ТЕМИ:
Американски институт по физика, технология на батериите, енергия, литиево-йонна, материалознание
От АМЕРИКАНСКИ ИНСТИТУТ ПО ФИЗИКА 12 ноември 2020 г.

Дебели електроди с едностенни въглеродни нанотръби (SWCNT) за мащабируеми системи за съхранение на енергия. Кредит: Zhengyu Ju и Guihua Yu

Проводимите въглеродни пълнители в литиево-йонни батерии позволяват висока мощност с обратимо съхранение на енергия.

Литиево-йонните батерии са основният акумулаторен източник на енергия за много преносими устройства, както и за електрически превозни средства, но използването им е ограничено, тъй като те не осигуряват висока мощност, като същевременно позволяват обратимо съхранение на енергия. Изследване, докладвано в Applied Physics Reviews, от AIP Publishing, има за цел да предложи решение, като покаже как включването на проводими пълнители подобрява работата на батерията.

Оптималният дизайн на батерията включва дебели електродни структури. Това увеличава енергийната плътност, но дизайнът страда от лош транспорт на литиево-йонни елементи, ключова стъпка във функционирането на тези електроди. Изпитани са различни техники за подобряване, включително изграждане на вертикално подравнени канали или създаване на пори с подходящ размер, за да се улесни транспортирането на литиевите йони.

Друг подход включва използването на пълнители от въглерод, които провеждат електричество. Това проучване разглежда три вида пълнители: едностенни въглеродни нанотръби (SWCNT), графенови нанопластове и вещество, известно като Super P, вид частици от сажди, получени по време на окисляване на петролни прекурсори. Super P е най-често използваният проводим пълнител в литиево-йонни батерии.

Пълнителите се добавят към вид електроден материал, известен като NCM, който съдържа никел, кобалт и манган. Изследователите изследват получените композити със сканираща електронна микроскопия. Установено е, че частиците Super P и NCM са подредени в режим на контакт от точка до точка.

SWCNTs обаче бяха увити около NCM частиците, образувайки проводимо покритие. В допълнение, мрежи от взаимосвързани SWCNTs бяха наблюдавани в пространствата между NCM частици. Графеновите нанолистове също бяха увити около частиците на NCM електрода, но не толкова равномерно, колкото SWCNT.

Установено е, че SWCNT са най -добрият проводим пълнител за NCM електроди.

„Измерената проводимост е в съответствие с теорията за просмукване“. Когато към топлоизолационна матрица се добави електропроводим пълнител, значително увеличаване на проводимостта ще настъпи, след като се образува първият проводящ път през композита, ”каза Гуихуа Ю, един от авторите.

Тъй като просмукването изисква пълен път през пълнителя, е необходимо достатъчно количество проводим пълнител. Следователно, изследователите обмислят различни количества пълнител и установяват, че комбинирането на NCM електроди с едва 0,16% тегловни от SWCNT произвежда добра електрическа проводимост. За постигане на същите резултати бяха необходими по -големи количества Super P и графен.

Изследователите са използвали няколко спектроскопски техники, включително раманова и рентгенова абсорбционна спектроскопия, за да изследват получените композити.

„Това е съвместно усилие от Центъра за мезомащабни транспортни имоти, изследователски център за енергийна граница, подкрепен от програмата за енергийни науки на Министерството на енергетиката на САЩ. Нашите открития показват, че интегрирането на SWCNT в NCM електрода улеснява прехвърлянето на йони и заряд. Това ще доведе до по -голямо електрохимично използване, особено при високи скорости на разреждане “, каза Ю.

Справка: „Разкриване на ефекта на размерите на проводимите пълнители в дебели акумулаторни електроди за високоенергийни системи за съхранение“, представени от Zhengyu Ju, Xiao Zhang, Steven T. King, Calvin D. Quilty, Yue Zhu, Kenneth J. Takeuchi, Esther S. Takeuchi, David C. Bock, Lei Wang, Amy C. Marschilok и Guihua Yu, 10 ноември 2020 г., Applied Physics Reviews.
DOI: 10.1063/5.0024123