En ny typ av blybaserad anod kommer att användas i nästa generation litiumbatterier

Litiumjonbatterier ger kraft för alla enheter, från smartphones till bärbara datorer till elektriska fordon. Forskare runt om i världen har letat efter nya och förbättrade komponenter för att tillverka bättre batterier för dessa och andra applikationer.

Forskare vid Argonne National Laboratory vid US Department of Energy (DOE) har rapporterat en ny elektrod designad för litiumjonbatterier med lågkostnadsmaterial som bly och kol. Bidragarna till denna viktiga upptäckt inkluderar också forskare från Northwestern University, Brookhaven National Laboratory och Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

Eungje Lee, Chief Author and Materials Scientist of Chemical Science and Engineering (CSE) vid Argonne University, sade: "Vår forskning har spännande konsekvenser för att utforma lågkostnads-, högpresterande och hållbara litiumjonbatterier som kan ge kraft för hybrid och alla elektriska fordon."

Arbetsprincipen för litiumjonbatterier är att infoga litiumjoner i anoden under laddning och ta bort dem under urladdning. Den nuvarande grafitanoden kan genomgå tusentals sådana laddningsutsläppscykler, men det verkar ha nått sin gräns när det gäller energilagringskapacitet.

Lee sa: "Vi har beslutat att studera bly som en ersättning för grafit som ett anodmaterial. Lead är särskilt attraktivt eftersom det är både billigt och billigt. Dessutom, på grund av den långa historien med bly-syrabatterier som ger hjälpkraft för bilar, har det en komplett leveranskedja och är ett av de mest återvunna materialen i världen. I USA: s, den nuvarande blyåtervinningen är 99%.

Li tillade, "Vår nya anod kan ge en ny inkomstkälla för den stora branschen som för närvarande är engagerad i bly-syra batteritillverkning och återvinning."

Teamets anod är inte en vanlig blyplatta, utan otaliga mikroskopiska partiklar med komplexa strukturer: bly nanopartiklar inbäddade i en kolmatris och omgiven av ett tunt skal av blyoxid. Även om denna struktur låter komplex, har teamet uppfunnit en enkel tillverkningsmetod för låg kostnad.

"Vår metod involverar blandning av stora blyoxidpartiklar med kolpulver och svänger i flera timmar tills mikroskopiska partiklar med den önskade kärnskalstrukturen bildas," förklarade Christopher Johnson, projektets huvudforskare och enastående forskare vid Argonne, CSE.

Tester som utförts i laboratoriebatterier med över 100 laddningscykler har visat att energilagringskapaciteten för den nya blybaserade nanokompositanoden är dubbelt så stor som den aktuella grafitanoden (standardiserad för samma vikt). Stabil prestanda under cykelprocessen är möjlig, eftersom små partikelstorlekar kan lindra stress, medan kolmatris tillhandahåller den nödvändiga konduktiviteten och fungerar som en buffert för att förhindra skador på volymutvidgning under cykelprocessen. Forskningsteamet fann också att tillsats av en liten mängd fluoroetylkarbonat till standardelektrolyten förbättrar prestandan avsevärt.

Forskare studerade laddnings- och urladdningsmekanismerna för anoden vid Geosoilenviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS) som drivs av University of Chicago, beläget i Argona, DOE Science User Facility Office. Genom synkrotronröntgendiffraktion kan de spåra fasövergången av negativa elektrodmaterial under laddning och urladdning. Dessa karaktäriseringsresultat, i kombination med de resultat som samlats in av Atomic and Nanoscale Characterization Center vid Northwestern University och DOE -användaranläggningen National Synchrotron Light Source II i Brookhaven, avslöjar de elektrokemiska reaktionerna som inträffar mellan bly och litiumjoner under laddning och utsläpp, som tidigare var okända.

Lee sa: "Denna grundläggande insikt kan vara viktig för att förstå reaktionsmekanismen mellan bly- och kiselanoder."

Kiselanod är ett annat billigt och högpresterande val för nästa generation litiumjonbatterier.

Johnson sa: "Vår upptäckt utmanar den aktuella förståelsen för detta elektrodmaterial." Vår upptäckt ger också spännande konsekvenser för att utforma lågkostnad, högpresterande anodmaterial för transport och lagring av fast energi, såsom säkerhetskopieringskällor för kraftnätet. "

Teamets papper publicerades i det nyligen publicerade avancerade funktionella materialet.