Lithium / Graphen "Folie" macht für eine große Batterie-Elektrode

- Jul 26, 2017-

Lithium-Ionen-Batterien arbeiten, wie der Name schon sagt, indem sie Lithium-Atome zwischen den zwei Elektroden einer Batterie verschieben. Also geht es bei der Erhöhung der Batteriekapazität vor allem darum, Wege zu finden, mehr Lithium in diese Elektroden zu bringen. Diese Bemühungen haben jedoch erhebliche Probleme aufgeworfen. Wenn Lithium ein großer Teil Ihres Elektrodenmaterials ist, kann das Herausziehen der Elektrode dazu führen, dass die Elektrode schrumpft. Ein Wiedereinsetzen kann zu Lithiumablagerungen an den falschen Stellen führen und die Batterie kurzschließen.

Jetzt hat ein Forschungsteam aus Stanford herausgefunden, wie man viel Lithium in Graphen umhüllt. Die resultierende Struktur hält einen Platz frei für Lithium, wenn es austritt, so dass es wieder dorthin zurückfließen kann, wo es begonnen hat. Tests des resultierenden Materials, das sie eine Lithium-Graphen-Folie nennen, zeigen, dass es Batterien mit fast der doppelten Energiedichte von existierenden Lithiumbatterien ermöglichen könnte.

1500887765126071190.png Lithium verhält sich schlecht

Eine naheliegende Lösung zur Erhöhung der Lithiummenge in einer Elektrode besteht darin, einfach Lithiummetall selbst zu verwenden. Aber das ist nicht das Einfachste. Lithiummetall ist weniger reaktiv als die anderen Mitglieder seiner Säule des Periodensystems (ich betrachte dich, Natrium und Kalium), aber es reagiert immer noch mit Luft, Wasser und vielen Elektrolytmaterialien. Zusätzlich, wenn Lithium die Elektrode verlässt und zurückkehrt, gibt es keine Möglichkeit zu kontrollieren, wo es Metall umformt. Nach einigen Lade- / Entladezyklen beginnt die Lithiumelektrode, scharfe Spitzen zu bilden, die schließlich groß genug werden können, um die Batterie kurzzuschließen.

Um besser steuern zu können, wie sich Lithium an der Elektrode verhält, hat die Stanford-Gruppe die Verwendung einiger lithiumreicher Legierungen untersucht. Lithium bildet zum Beispiel einen Komplex mit Silicium, wo typischerweise mehr als vier Lithiumatome für jedes Siliciumatom vorhanden sind. Wenn das Lithium die Elektrode verlässt, bleibt das Silizium zurück und liefert eine Struktur, um das Lithium aufzunehmen, wenn es in der anderen Hälfte des Lade- / Entladezyklus zurückkehrt.

Während dies die Probleme mit Lithiummetall löst, schafft es ein neues: Volumenänderungen. Das Silizium, das zurückbleibt, wenn das Lithium zu der anderen Elektrode fließt, nimmt einfach nicht so viel Volumen auf wie das, wenn die gleiche Elektrode mit der Lithium-Silizium-Mischung gefüllt ist. Infolgedessen dehnt sich die Elektrode während eines Lade-Entlade-Zyklus stark aus und zieht sich zusammen, wodurch die Batterie physisch beansprucht wird. (Beachten Sie, dass eine Lithium-Metall-Elektrode vollständig verschwindet und möglicherweise eine noch größere mechanische Belastung verursacht.)

Und das scheint uns stecken zu lassen. Um die Ausdehnung / Kontraktion des Elektrodenmaterials zu begrenzen, muss die Menge an Lithium begrenzt werden, die sich in und aus ihm bewegt. Das würde natürlich bedeuten, die Energiedichte der Batterie zu begrenzen.

Zwischen den Blättern

In der neuen Arbeit nehmen die Forscher ihre frühere Lithium-Silizium-Arbeit und kombinieren sie mit Graphen. Graphen ist eine einatomige, dicke Schicht von Kohlenstoffatomen, die miteinander verbunden sind, und es hat eine Reihe von Eigenschaften, die es für Batterien geeignet machen. Es leitet Elektrizität gut und macht es einfach, Ladungen zu und von dem Lithium zu verschieben, wenn die Batterie auflädt und entlädt. Es ist auch extrem dünn, was bedeutet, dass das Verpacken vieler Graphenmoleküle in die Elektrode nicht viel Platz einnimmt. Und kritisch für diese Arbeit ist Graphen mechanisch zäh.

Um ihr Elektrodenmaterial herzustellen, stellte das Team Nanopartikel des Lithium-Silizium-Materials her. Diese wurden dann in einem 8: 1-Verhältnis mit Graphenblättern vermischt. Eine kleine Menge eines Kunststoffvorläufers wurde zugegeben und die gesamte Mischung wurde über einen Kunststoffblock verteilt. Einmal ausgebreitet, erzeugte der Polymervorläufer einen dünnen Polymerfilm auf der Oberseite der Graphen-Nanopartikel-Mischung. Dies könnte abgezogen werden und dann könnte die Graphen-Nanopartikel-Mischung als eine Folie vom Block abgezogen werden.

Das resultierende Material, das sie eine Folie nennen, enthält große Cluster der Nanopartikel, die typischerweise von drei bis fünf Graphenschichten umgeben sind. Je nachdem, wie dick die Folie ist, kann es mehrere Schichten von Nanopartikelclustern geben, die jeweils durch Graphen getrennt sind.

Die Graphenblätter machen das Material ziemlich robust, da man es falten und entfalten kann und es dann immer noch als Batterieelektrode verwenden kann. Sie helfen auch, dass die Luft nicht mit dem Lithium im Inneren reagiert. Selbst nach zwei Wochen, in denen sie der Luft ausgesetzt war, behielt die Folie etwa 95% ihrer Kapazität als Elektrode bei. Senken Sie den Anteil von Graphen, der in der Ausgangsmischung verwendet wird, und Luft wird zum Problem, wobei die Elektrode in den gleichen zwei Wochen fast die Hälfte ihrer Kapazität verliert.

Und es hat ziemlich gut als Elektrode funktioniert. Als das Lithium übrig blieb, schrumpften die Nanopartikel, aber die Graphenlagen hielten die Struktur zusammen und bewahrten sie vor dem Schrumpfen. Und es behielt 98 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität auch nach 400 Lade-Entlade-Zyklen. Am wichtigsten ist vielleicht, dass die Energiedichte bei einer Kombination mit einer Vanadiumoxidkathode etwas mehr als 500 Wattstunden pro Kilogramm betrug. Derzeitige Lithium-Ionen-Batterien erreichen etwa die Hälfte davon.

Normalerweise kann es so lange dauern, bis aus einem akademischen Labor ein Unternehmen herauskommt. In diesem Fall hat jedoch der Leiter der Forschungsgruppe Yi Cui bereits ein Startup-Unternehmen mit Batterien auf dem Markt. Es könnte also etwas weniger Zeit für eine gründliche kommerzielle Bewertung in Anspruch nehmen. Der größte Knackpunkt können die Kosten des Graphen sein. Eine schnelle Suche deutet darauf hin, dass Graphen immer noch Tausende von Dollar pro Kilogramm hat, obwohl es heruntergekommen ist und viele Leute nach Möglichkeiten suchen, es noch billiger zu machen.

Wenn sie Erfolg haben, dann sind die restlichen Komponenten dieser Elektrode ziemlich billig. Und der Prozess, um es zu machen, scheint ziemlich einfach zu sein.