Lithium / graphene "foil" Membuat Untuk Elektrod Bateri Besar

- Jul 26, 2017-

Bateri litium, seperti namanya, berfungsi dengan menghidupkan atom litium antara dua elektrod bateri. Jadi, meningkatkan kapasiti bateri adalah sebahagian besarnya mencari cara untuk meletakkan lebih banyak litium ke dalam elektrod tersebut. Walau bagaimanapun, usaha-usaha ini telah menjadi masalah besar. Sekiranya litium adalah sebahagian besar bahan elektrod anda, maka memindahkannya boleh menyebabkan elektrod mengecut. Memindahkannya kembali boleh membawa kepada deposit litium di tempat-tempat yang salah, memendekkan bateri.

Sekarang, sebuah pasukan penyelidikan dari Stanford telah menjelaskan cara membungkus banyak litium dalam graphene. Struktur yang dihasilkan memegang tempat terbuka untuk litium apabila ia meninggalkan, membolehkannya mengalir kembali ke tempat ia bermula. Ujian bahan yang dihasilkan, yang mereka panggil foil lithium-graphene, menunjukkan ia boleh membolehkan bateri hampir dua kali ganda ketumpatan tenaga bateri litium yang sedia ada.

1500887765126071190.png Lithium berkelakuan buruk

Satu penyelesaian jelas untuk meningkatkan jumlah litium dalam elektrod adalah dengan menggunakan logam lithium itu sendiri. Tetapi itu bukan perkara yang paling mudah dilakukan. Logam litium kurang reaktif berbanding ahli-ahli lain dalam ruang jadual berkala (saya melihat anda, natrium dan kalium), tetapi ia masih bertindak balas dengan udara, air, dan banyak bahan elektrolit. Di samping itu, apabila litium meninggalkan elektrod dan kembali, tidak ada cara untuk mengawal di mana ia membentuk semula logam. Selepas beberapa kitaran caj / pelepasan, elektrod litium mula membentuk pancang tajam yang akhirnya dapat tumbuh cukup besar untuk mengecilkan bateri.

Untuk mempunyai kawalan yang lebih baik tentang bagaimana litium berkelakuan pada elektrod, kumpulan Stanford telah meneliti penggunaan beberapa aloi kaya litium. Sebagai contoh, litium membentuk kompleks dengan silikon di mana terdapat lebih dari empat atom litium untuk setiap atom silikon. Apabila litium meninggalkan elektrod, silikon kekal di belakang, memberikan struktur untuk memasukkan litium apabila ia kembali pada separuh lagi kitaran cas / pelepasan.

Walaupun ini menyelesaikan masalah dengan logam litium, ia menghasilkan yang baru: perubahan volum. Silikon ditinggalkan apabila litium berjalan ke elektrod lain hanya tidak mengambil jumlah yang banyak seperti yang dilakukan apabila elektrod yang sama diisi dengan campuran litium-silikon. Akibatnya, elektrod mengembang dan kontrak secara dramatik semasa kitaran pelepasan caj, meletakkan bateri di bawah tekanan fizikal. (Fikiran anda, elektrod logam litium hilang sepenuhnya, mungkin menyebabkan tekanan mekanikal yang lebih besar.)

Dan itu sepatutnya membuatkan kita terjebak. Mengehadkan pengembangan / penguncupan bahan elektrod nampaknya memerlukan had yang mengehadkan jumlah litium yang bergerak masuk dan keluar daripadanya. Maksudnya, yang bermaksud mengehadkan ketumpatan tenaga bateri.

Antara lembaran

Dalam kerja baru, para penyelidik mengambil kerja silikon litium sebelum itu dan menggabungkannya dengan graphene. Graphene adalah satu atom atom tebal atom karbon yang dikaitkan bersama, dan ia mempunyai beberapa sifat yang menjadikannya baik untuk bateri. Ia menjalankan elektrik dengan baik, menjadikannya mudah untuk mengalihkan caj ke dan dari litium apabila bateri dan pelepasan bateri. Ia juga sangat nipis, yang bermaksud bahawa pembungkusan banyak molekul graphene ke dalam elektrod tidak mengambil banyak ruang. Dan kritis untuk kerja ini, graphene secara mekanikal sukar.

Untuk membuat bahan elektrod mereka, pasukan membuat nanopartikel bahan silikon litium. Ini kemudian dicampurkan dengan lembaran graphene dalam nisbah lapan hingga satu. Sebilangan kecil pelopor plastik telah ditambah, dan keseluruhan campuran itu tersebar di blok plastik. Setelah tersebar, prekursor polimer mencipta filem polimer nipis di atas campuran graphene-nanopartikel. Ini boleh dikupas, dan campuran graphene-nanopartikel boleh dikupas dari blok itu sebagai helaian.

Bahan yang dihasilkan, yang mereka panggil foil, mengandungi kluster besar nanopartikel yang biasanya dikelilingi oleh tiga hingga lima lapisan graphene. Bergantung pada betapa tebal anda membuat kerajang, terdapat beberapa lapisan lapisan nanopartikel, masing-masing dipisahkan oleh graphene.

Lembaran graphene menjadikan bahan itu cukup kuat, kerana anda boleh melipat dan membentangkannya dan kemudian menggunakannya sebagai elektrod bateri. Mereka juga membantu menjaga udara daripada bertindak balas dengan litium di dalamnya. Walaupun selepas dua minggu terdedah kepada udara, foil mengekalkan kira-kira 95 peratus keupayaannya sebagai elektrod. Kurangkan pecahan grafena yang digunakan dalam campuran awal dan udara menjadi masalah, dengan elektrod kehilangan hampir separuh daripada kapasitinya dalam dua minggu yang sama.

Dan ia berfungsi dengan baik sebagai elektrod. Apabila litium ditinggalkan, nanopartikel menyusut, tetapi lembaran graphene memegang struktur bersama-sama dan menyimpannya dari mengecut. Dan ia mengekalkan 98 peratus keupayaan asalnya walaupun selepas 400 kitaran pelepasan caj. Mungkin yang paling penting, apabila dipasangkan dengan katoda vanadium oksida, ketumpatan tenaga hanya melebihi 500 Watt-jam per kilogram. Bateri lithium-ion semasa berada pada kira-kira separuh itu.

Biasanya, kerja seperti ini boleh mengambil sedikit masa untuk keluar dari makmal akademik dan mempunyai syarikat mula melihatnya. Dalam kes ini, bagaimanapun, ketua kumpulan penyelidikan Yi Cui sudah mempunyai syarikat permulaan dengan bateri di pasaran. Oleh itu, ini mungkin mengambil sedikit masa untuk penilaian komersial menyeluruh. Titik melekat terbesar adalah kos graphene. Carian pantas menunjukkan bahawa graphene masih beribu-ribu ringgit sekilogram, walaupun ia telah turun, dan banyak orang mencari cara untuk menjadikannya lebih murah.

Sekiranya mereka berjaya, maka komponen lain dari elektrod ini cukup murah. Dan proses membuatnya kelihatan mudah.