Alternatywne materiały do ogniw Li-Ion
Badania są skierowane między innymi w kierunku znalezienia alternatywnych rozwiązań w konstrukcji elektrod. Najpopularniejsze typy ogniw Li-Ion wykorzystują jako anodę grafit – łatwy do uzyskania, tani, lekki i trwały. W ostatnich latach prowadzone były jednak prace nad bardzo obiecującymi rozwiązaniami mikroanod wykonanych ze stopów metali.
Do budowy mikroanod stopowych wykorzystywany jest krzem, cyna lub aluminium. Potencjalnymi zaletami takich elektrod może być niższy koszt produkcji oraz wzrost pojemności baterii, jednak problemem jest jak do tej pory niższa niezawodność, szczególnie w ogniwach z elektrolitami na bazie węglanów.
Wcześniejsze badania wykazały, że problem tkwi w zbyt silnym wiązaniu się stopów i stałej fazy elektrolitu SEI, tworzącej się na elektrodzie jako warstwa ochronna. Może to prowadzić do pęknięć strukturalnych zarówno stopu anody, jak i samej warstwy SEI, przez które będzie przenikać elektrolit, tworząc podczas cykli rozładowania/ładowania kolejne warstwy SEI już wewnątrz pęknięć. A to prowadzi do szybkiej degradacji elektrody i spadku sprawności.
Zobacz także: Powstała najcieńsza elektroda świata. Przemysł akumulatorowy już zaciera ręce (chip.pl)
W artykule opublikowanym w Nature Energy, naukowcy z University of Maryland i University of Rhode Island przedstawili nowy asymetryczny elektrolit, który może poprawić wydajność akumulatorów Li-Ion z mikroanodami stopowymi
„Zastosowanie anod stopowych w rozmiarze nano może wydłużyć cykl życia ogniwa, ale przyspiesza naturalne starzenie się baterii” – napisali w swoim artykule Ai-Min Li, Zeyi Wang i ich koledzy.
„Znacząco poprawiliśmy wydajność na cykl mikroanod Si, Al, Sn i Bi poprzez opracowanie asymetrycznych elektrolitów (bezrozpuszczalnikowych cieczy jonowych i rozpuszczalnika molekularnego) w celu utworzenia bogatych we fluorek litu nieorganicznych SEI, umożliwiając osiągnięcie ponad 400 cykli z wysoką retencją pojemności >85%”
Nowy elektrolit, zwany w skrócie NMEP, który ma pracować z mikronanodami i wysokoenergetycznymi katorami, oparty jest na heksafluorofosforanie N-metylo-N (2-metoksyetoksy) metylopirolidonu.
Aby ocenić potencjał elektrolitu, zespół naukowców przetestował go w dużych ogniwach Li-Ion. Testowe ogniwa osiągnęły pojemność powyżej 140 mAh/g i zachowały go przez 200 cykli, a po 400 cyklach wciąż miały 85% swojej pierwotnej pojemności.
Nowo opracowany asymetryczny elektrolit poprawia kompatybilność między kluczowym składnikiem baterii litowych, heksafluorofosforanem litu, a eterem dimetylowym DME o niskim potencjale redukcyjnym, co pozwoliło na kontrolowane tworzenie powłok fluorku litu na anodach mikrostopowych.
Dalsze testy prowadzone na akumulatorach o różnych składach chemicznych anod i katod mogą doprowadzić w perspektywie do powstania tanich i niezawodnych baterii litowo-jonowych następnej generacji.