В следующем поколении литиевых батарей будет использоваться новый тип анода на основе свинца.

Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают питание всех устройств: от смартфонов до ноутбуков и электромобилей. Ученые всего мира ищут новые и улучшенные компоненты для производства более эффективных батарей для этих и других применений.

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) сообщили о новом электроде, разработанном для литий-ионных батарей с использованием недорогих материалов, таких как свинец и углерод. Вклад в это важное открытие также внесли ученые из Северо-Западного университета, Брукхейвенской национальной лаборатории и Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST).

Ынгдже Ли, главный автор и ученый-материаловед отдела химической науки и техники (CSE) в Аргоннском университете, заявил: «Наше исследование имеет захватывающие последствия для разработки недорогих, высокопроизводительных и устойчивых литий-ионных батарей, которые могут обеспечить питание гибридных батарей. и все электромобили.».

Принцип работы литий-ионных аккумуляторов заключается в попадании ионов лития в анод во время зарядки и удалении их во время разрядки. Современный графитовый анод может выдержать тысячи таких циклов зарядки-разрядки, но, похоже, он достиг своего предела с точки зрения емкости хранения энергии.

Ли сказал: «Мы решили изучить свинец в качестве заменителя графита в качестве анодного материала. Свинец особенно привлекателен, потому что он дешев и недорог. Кроме того, из-за долгой истории свинцово-кислотных аккумуляторов, обеспечивающих вспомогательное питание для автомобилей, , он имеет полную цепочку поставок и является одним из наиболее перерабатываемых материалов в мире. В Соединенных Штатах текущий уровень восстановления свинца составляет 99%.».

Ли добавил: «Наш новый анод может стать новым источником дохода для крупной отрасли, которая в настоящее время занимается производством и переработкой свинцово-кислотных аккумуляторов».

Анодом команды является не обычная свинцовая пластина, а бесчисленные микроскопические частицы со сложной структурой: наночастицы свинца, встроенные в углеродную матрицу и окруженные тонкой оболочкой из оксида свинца. Хотя эта структура кажется сложной, команда изобрела простой и недорогой метод производства.

«Наш метод включает в себя смешивание крупных частиц оксида свинца с углеродным порошком и колебание в течение нескольких часов до тех пор, пока не сформируются микроскопические частицы с желаемой структурой ядро-оболочка», — объяснил Кристофер Джонсон, главный исследователь проекта и выдающийся исследователь из Аргонна, CSE.

Испытания, проведенные на лабораторных батареях с более чем 100 циклами зарядки-разрядки, показали, что энергоемкость нового нанокомпозитного анода на основе свинца в два раза выше, чем у нынешнего графитового анода (стандартизированного для того же веса). Стабильная производительность во время цикла циклирования возможна, поскольку частицы небольшого размера могут снизить нагрузку, а углеродная матрица обеспечивает необходимую проводимость и действует как буфер, предотвращая повреждение от объемного расширения во время цикла цикла. Исследовательская группа также обнаружила, что добавление небольшого количества фторэтилкарбоната к стандартному электролиту значительно улучшает производительность.

Исследователи изучали механизмы зарядки и разрядки анода в Центре передовых источников радиации GeoSoilEnviro (GSECARS), управляемом Чикагским университетом, расположенном в Аргоне, в офисе научно-исследовательского центра Министерства энергетики США. С помощью синхротронной рентгеновской дифракции они могут отслеживать фазовый переход материалов отрицательных электродов во время зарядки и разрядки. Эти результаты исследования в сочетании с результатами, собранными Центром атомных и наномасштабных исследований Северо-Западного университета и Национальным источником синхротронного света II Министерства энергетики США в Брукхейвене, показывают электрохимические реакции, которые происходят между ионами свинца и лития во время зарядки и разрядки. ранее неизвестный.

Ли сказал: «Это фундаментальное открытие может быть важным для понимания механизма реакции между свинцовыми и кремниевыми анодами».

Кремниевый анод — еще один недорогой и высокопроизводительный выбор для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения.

Джонсон сказал: «Наше открытие бросает вызов нынешнему пониманию этого материала электродов». Наше открытие также открывает широкие возможности для разработки недорогих, высокоэффективных анодных материалов для транспорта и фиксированного хранения энергии, таких как резервные источники питания для энергосистемы. "

Статья команды была опубликована в недавно опубликованном журнале Advanced Functional Materials.