Ένας νέος τύπος ανόδου με βάση το μόλυβδο θα χρησιμοποιηθεί στην επόμενη γενιά μπαταριών λιθίου

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου παρέχουν ισχύ για όλες τις συσκευές, από smartphone έως φορητούς υπολογιστές έως ηλεκτρικά οχήματα. Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο αναζητούν νέα και βελτιωμένα εξαρτήματα για την κατασκευή καλύτερων μπαταριών για αυτές και άλλες εφαρμογές.

Επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) ανέφεραν ένα νέο ηλεκτρόδιο σχεδιασμένο για μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούν υλικά χαμηλού κόστους όπως μόλυβδο και άνθρακα. Στους συντελεστές αυτής της σημαντικής ανακάλυψης περιλαμβάνονται επίσης επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Northwestern, το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven και το Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Ulsan (UNIST).

Ο Eungje Lee, Επικεφαλής Συγγραφέας και Επιστήμονας Υλικών Χημικής Επιστήμης και Μηχανικής (CSE) στο Πανεπιστήμιο Argonne, δήλωσε: «Η έρευνά μας έχει συναρπαστικές συνέπειες για το σχεδιασμό μπαταριών ιόντων λιθίου χαμηλού κόστους, υψηλής απόδοσης και βιώσιμης ισχύος που μπορούν να παρέχουν ισχύ για υβριδικά και όλα τα ηλεκτρικά οχήματα».

Η αρχή λειτουργίας των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι να εισάγουν ιόντα λιθίου στην άνοδο κατά τη φόρτιση και να τα αφαιρέσουν κατά την εκφόρτιση. Η τρέχουσα άνοδος γραφίτη μπορεί να υποστεί χιλιάδες τέτοιους κύκλους εκφόρτισης φόρτισης, αλλά φαίνεται ότι έχει φτάσει στο όριό της όσον αφορά την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας.

Ο Lee είπε, "Αποφασίσαμε να μελετήσουμε τον μόλυβδο ως υποκατάστατο του γραφίτη ως υλικό ανόδου. Ο μόλυβδος είναι ιδιαίτερα ελκυστικός επειδή είναι και φθηνός και φθηνός. Επιπλέον, λόγω της μακράς ιστορίας των μπαταριών μολύβδου-οξέος που παρέχουν βοηθητική ισχύ για αυτοκίνητα , έχει μια πλήρη αλυσίδα εφοδιασμού και είναι ένα από τα πιο ανακυκλωμένα υλικά στον κόσμο, στις Ηνωμένες Πολιτείες, το τρέχον ποσοστό ανάκτησης μολύβδου είναι 99%.

Ο Λι πρόσθεσε: «Η νέα μας άνοδος μπορεί να προσφέρει μια νέα πηγή εσόδων για τη μεγάλη βιομηχανία που ασχολείται επί του παρόντος με την κατασκευή και την ανακύκλωση μπαταριών μολύβδου-οξέος».

Η άνοδος της ομάδας δεν είναι μια συνηθισμένη πλάκα μολύβδου, αλλά αμέτρητα μικροσκοπικά σωματίδια με πολύπλοκες δομές: νανοσωματίδια μολύβδου ενσωματωμένα σε μια μήτρα άνθρακα και περιβάλλονται από ένα λεπτό κέλυφος οξειδίου του μολύβδου. Αν και αυτή η δομή ακούγεται περίπλοκη, η ομάδα έχει εφεύρει μια απλή, χαμηλού κόστους μέθοδο παραγωγής.

«Η μέθοδός μας περιλαμβάνει ανάμειξη μεγάλων σωματιδίων οξειδίου του μολύβδου με σκόνη άνθρακα και ταλάντωση για αρκετές ώρες μέχρι να σχηματιστούν μικροσκοπικά σωματίδια με την επιθυμητή δομή πυρήνα-κελύφους», εξήγησε ο Christopher Johnson, ο κύριος ερευνητής του έργου και εξαιρετικός ερευνητής στο Argonne, CSE.

Δοκιμές που έγιναν σε εργαστηριακές μπαταρίες με περισσότερους από 100 κύκλους εκφόρτισης φόρτισης έδειξαν ότι η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας της νέας νανοσύνθετης ανόδου με βάση το μόλυβδο είναι διπλάσια από την τρέχουσα άνοδο γραφίτη (τυποποιημένη για το ίδιο βάρος). Είναι δυνατή η σταθερή απόδοση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανακύκλωσης, καθώς τα μικρά μεγέθη σωματιδίων μπορούν να μειώσουν το στρες, ενώ η μήτρα άνθρακα παρέχει την απαιτούμενη αγωγιμότητα και λειτουργεί ως ρυθμιστικό για να αποτρέψει τη ζημιά στη διόγκωση του όγκου κατά τη διαδικασία ανακύκλωσης. Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι η προσθήκη μικρής ποσότητας ανθρακικού φθοροαιθυλίου στον τυπικό ηλεκτρολύτη βελτιώνει σημαντικά την απόδοση.

Οι ερευνητές μελέτησαν τους μηχανισμούς φόρτισης και εκφόρτισης της ανόδου στο Κέντρο Προηγμένων Πηγών Ακτινοβολίας GeoSoilEnviro (GSECARS) που λειτουργεί από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, που βρίσκεται στην Αργκόνα, το Γραφείο Εγκαταστάσεων Επιστημών του DOE. Μέσω της περίθλασης ακτίνων Χ σύγχροτρον, είναι σε θέση να παρακολουθούν τη μετάβαση φάσης των υλικών αρνητικών ηλεκτροδίων κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Αυτά τα αποτελέσματα χαρακτηρισμού, σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα που συλλέχθηκαν από το Κέντρο Χαρακτηρισμού Ατομικής και Νανοκλίμακας του Northwestern University και το DOE User Facility National Synchrotron Light Source II στο Brookhaven, αποκαλύπτουν τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ ιόντων μολύβδου και λιθίου κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. προηγουμένως άγνωστο.

Ο Lee είπε, «Αυτή η θεμελιώδης εικόνα μπορεί να είναι σημαντική για την κατανόηση του μηχανισμού αντίδρασης μεταξύ των ανοδίων μολύβδου και πυριτίου».

Η άνοδος πυριτίου είναι μια άλλη επιλογή χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης για την επόμενη γενιά μπαταριών ιόντων λιθίου.

Ο Τζόνσον είπε, «Η ανακάλυψή μας αμφισβητεί την τρέχουσα κατανόηση αυτού του υλικού ηλεκτροδίων». Η ανακάλυψή μας παρέχει επίσης συναρπαστικές συνέπειες για το σχεδιασμό υλικών ανόδου χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης για μεταφορά και σταθερή αποθήκευση ενέργειας, όπως εφεδρικές πηγές ενέργειας για το ηλεκτρικό δίκτυο. "

Η εργασία της ομάδας δημοσιεύτηκε στο πρόσφατα δημοσιευμένο Advanced Functional Materials.