Een manier gevonden om de capaciteit van lithium-ionbatterijen met 10 keer te vergroten

Over de hele wereld zoeken tientallen wetenschappelijke groepen naar mogelijkheden om de capaciteit van lithium-ionbatterijen aanzienlijk te vergroten. De introductie van silicium in de structuur wordt als een veelbelovende richting beschouwd, maar de kwetsbaarheid, de kwetsbaarheid van de daarop gebaseerde verbindingen en andere problemen lieten dit lange tijd niet toe.

Maar het lijkt erop dat wetenschappers in Japan een oplossing hebben gevonden voor het siliciumprobleem. Ze bedachten een nieuw ontwerp van de anode gemaakt van siliciumbogen van nanoformaat, die de nodige sterkte en duurzaamheid geven.

Moderne lithium-ionbatterijen en hun nadelen

Dus om te beginnen slechts een paar woorden over hoe lithium-ionbatterijen werken. Zoals u weet, bestaat een batterij dus uit een paar elektroden (kathode en anode) en een elektrolytische oplossing. De hoofdtaak van de elektrolyt is dus de overdracht van lithiumionen tussen de kathode en de anode, die net van grafiet is gemaakt.

Dus tijdens het opladen van de batterij bewegen lithiumionen zich langs het pad van de kathode-oplossing-anode. Tijdens het ontladen vindt de beweging van ionen plaats in de tegenovergestelde richting.

Dit ontwerp heeft zichzelf goed bewezen en werkt al meer dan twaalf jaar. Maar het belangrijkste nadeel van dit hele debugged-ontwerp is dat zes koolstofatomen tegelijk in de grafietanode moeten worden gebruikt om één lithiumion op te slaan. Om deze reden hebben deze batterijen een lage energiedichtheid.

Silicium en zijn toepassingen

Als we echter naar een materiaal als silicium kijken, kan een van zijn atomen zich binden met vier lithiumionen tegelijk, wat een bijna 10-voudige toename van de energiedichtheid oplevert. Alles lijkt in orde, maar wetenschappers zijn er nog steeds niet in geslaagd silicium te stabiliseren.

Omdat het vatbaar is voor aanzienlijke uitzetting (tot 400% van het oorspronkelijke volume), weeën en breken tijdens de werking van de batterij, dan vernietigden al deze vervormingseffecten de siliciumanodes snel genoeg.

Een onderzoeksteam van het Okinawa Institute of Graduate Technology and Technology (OSIT) stelde hun oplossing voor voor het probleem van het stabiliseren van de siliciumanode. Ingenieurs hebben een hele reeks experimenten uitgevoerd met siliciumlagen van verschillende diktes op zoek naar een gulden middenweg, waarbij aan de voorwaarden van hoge energiedichtheid en batterijstabiliteit zal worden voldaan.

Wetenschappers hebben ontdekt dat naarmate de siliciumlaag toeneemt, er eerst een toename in stijfheid is en na een bepaald punt er een sterke afname is. Er werd besloten om de reden voor een dergelijke overgang nader te bestuderen, en dit is wat wetenschappers hebben kunnen vaststellen.

Het bleek dat wanneer silicium wordt afgezet op metalen nanodeeltjes, er zich kleine kolommen in de vorm van omgekeerde kegels beginnen te vormen, die naar boven toe verdikken.

Het blijkt dat met de afzetting van een toenemend aantal siliciumatomen en, dienovereenkomstig, de groei van de pilaren, ze worden zo breed dat ze elkaar raken en zo een gewelfde structuur van een nanometer vormen schaal.

Zo'n constructie is vrij sterk en wordt zelfs door mensen bij de constructie gebruikt. En het blijkt dat voordat deze nanobogen werden gevormd, de structuur nogal zwak is en dat hun nog grotere groei een sponsachtige structuur met gaten creëert, wat niet zo effectief is.

En pas op het moment van de vorming van dergelijke bogen wordt een balans gecreëerd, die het mogelijk maakt om een ​​verhoogde laadcapaciteit te bieden en bestand is tegen een groot aantal laad / ontlaadcycli.

Het is nog niet bekend wanneer de nieuwe lithium-ionbatterijen met siliciumanode in de verkoop gaan, maar dat deze richting veelbelovend is, is in dit stadium al te herkennen.

Vond je het materiaal leuk? Steek vervolgens uw vinger op en abonneer u op het kanaal. Dank u voor uw aandacht!