Новый метод заливки увеличивает срок службы батареи до 44 %

Автор: Университет Райса, 8 июля 2023 г.

Исследователи из Университета Райса разработали масштабируемый метод увеличения срока службы литий-ионных батарей с помощью предварительной литиации — процесса, при котором кремниевые аноды покрывают стабилизированными частицами металлического лития, что увеличивает срок службы батареи до 44%.

Потенциал кремниевых анодных батарей для преобразования решений по хранению энергии имеет решающее значение для решения климатических задач и полной реализации возможностей электромобилей.

Тем не менее, постоянная потеря ионов лития в кремниевых анодах является существенным препятствием для разработки литий-ионных батарей следующего поколения.

Ученые из инженерной школы Джорджа Р. Брауна при Университете Райса разработали легко масштабируемый метод оптимизации предварительного литиирования — процесса, который помогает уменьшить потери лития и улучшить жизненный цикл аккумуляторов путем покрытия кремниевых анодов стабилизированными частицами металлического лития (SLMP).

Куан Нгуен (слева), Сибани Лиза Бисвал и их коллеги разработали метод предварительной литиации, который помогает улучшить производительность литий-ионных батарей с кремниевыми анодами. Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса.

Инженер-химик и биомолекулярный инженер Сибани Лиза Бисвал из лаборатории Райса обнаружила, что напыление на аноды смеси частиц и поверхностно-активного вещества увеличивает срок службы батареи на 22–44%. Аккумуляторные элементы с большим количеством покрытия изначально обеспечивают более высокую стабильность и срок службы. Однако был и недостаток: при работе на полную мощность большее количество частиц покрытия приводило к большему улавливанию лития, что приводило к более быстрому разряду батареи в последующих циклах.

Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Energy Materials.

Replacing graphite with silicon in lithium-ion batteries would significantly improve their energy density ⎯ the amount of energy stored relative to weight and size ⎯ because graphite, which is made of carbon, can pack fewer lithium ions than silicon. It takes six carbon atoms for every single lithium-ion, while just one silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Атом может связываться с четырьмя ионами лития.

Куан Нгуен — выпускник докторантуры в области химической и биомолекулярной инженерии и ведущий автор исследования. Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса.

«Кремний — один из тех материалов, который способен действительно улучшить плотность энергии на анодной стороне литий-ионных батарей», — сказал Бисвал. «Вот почему в настоящее время в науке о батареях наблюдается толчок к замене графитовых анодов кремниевыми».

Однако у кремния есть и другие свойства, которые создают проблемы.

«Одна из основных проблем кремния заключается в том, что он постоянно образует то, что мы называем межфазным слоем твердого электролита или слоем SEI, который фактически потребляет литий», — сказал Бисвал.

Слой образуется, когда электролит в аккумуляторном элементе реагирует с электронами и ионами лития, в результате чего на аноде осаждается слой солей нанометрового размера. После формирования слой изолирует электролит от анода, предотвращая продолжение реакции. Однако SEI может выйти из строя во время последующих циклов зарядки и разрядки, и по мере его восстановления он еще больше необратимо истощает литиевый запас батареи.

Куан Нгуен (слева) и Сибани Лиза Бисвал. Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса.

«Объем кремниевого анода будет меняться в зависимости от цикла работы батареи, что может привести к поломке SEI или иным образом сделать его нестабильным», — сказал Куан Нгуен, докторант химической и биомолекулярной инженерии и ведущий автор исследования. «Мы хотим, чтобы этот слой оставался стабильным на протяжении последующих циклов зарядки и разрядки аккумулятора».

Метод предварительного литиирования, разработанный Бисвал и ее командой, повышает стабильность слоя SEI, что означает, что при его формировании истощается меньше ионов лития.