Lithium-metaalbatterijen (LMB's), een opkomend type oplaadbare op lithium gebaseerde batterijen gemaakt van solid-state metaal in plaats van lithium-ionen, behoren tot de meest veelbelovende oplaadbare batterijtechnologieën met hoge energiedichtheid. Hoewel ze enkele voordelige eigenschappen hebben, hebben deze batterijen verschillende beperkingen, waaronder een slechte energiedichtheid en veiligheidsgerelateerde problemen.
In de afgelopen jaren hebben onderzoekers geprobeerd deze beperkingen te overwinnen door een alternatief, anodevrij lithiumbatterijcelontwerp te introduceren. Dit anodevrije ontwerp kan helpen om de energiedichtheid en veiligheid van lithium-metaalbatterijen te vergroten.
Onderzoekers van het National Institute of Advanced Industrial Science en Technologie onlangs een onderzoek uitgevoerd gericht op het verhogen van de energiedichtheid van anodevrije lithiumbatterijen, introduceert een nieuwe anodevrije lithiumbatterij met hoge energiedichtheid en een lange levensduur, gebaseerd op het gebruik van een Li2O offeraar.
Anodevrije full-cell batterij-architecturen zijn meestal gebaseerd op een volledig gelithieerde kathode met een kale anode koperen stroomcollector. Opmerkelijk is dat zowel de gravimetrische als de volumetrische energiedichtheden van anodevrije lithiumbatterijen kunnen worden uitgebreid tot hun maximale limiet. Anodevrije celarchitecturen hebben verschillende andere voordelen ten opzichte van meer conventionele LMB-ontwerpen, waaronder lagere kosten, grotere veiligheid en eenvoudigere celassemblageprocedures.
Om het volledige potentieel van anodevrije LMB's te ontsluiten, moeten onderzoekers eerst uitzoeken hoe ze de omkeerbaarheid/stabiliteit van Li-metal-plating kunnen bereiken. Hoewel velen hebben geprobeerd dit probleem op te lossen door gunstiger elektrolyten te ontwikkelen en te selecteren, zijn de meeste van deze pogingen tot dusver niet succesvol geweest.
Anderen hebben ook het potentieel onderzocht van het gebruik van zouten of additieven die de omkeerbaarheid van de Li-metal plating/stripping zouden kunnen verbeteren. Na het bekijken van deze eerdere pogingen, stelden de onderzoekers van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology het gebruik van Li . voor2O als opofferingsmiddel, dat vooraf op een LiNi . is geladen0.8Co0.1Mn0.1O2 oppervlak.
"Het is een uitdaging om een hoge Li-omkeerbaarheid te realiseren, vooral gezien het beperkte Li-reservoir (meestal nul lithiumoverschot) in de celconfiguratie", schreven de onderzoekers in hun paper. “In deze studie hebben we Li . geïntroduceerd2O als een voorgeladen opofferingsmiddel op een LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 kathode, wat een extra Li-bron biedt om het onomkeerbare verlies van Li tijdens langdurige cycli in een initiële anodevrije cel te compenseren.
Naast het in dienst hebben van Li2O als opofferingsmiddel, stelden de onderzoekers het gebruik van een fluorpropylether-additief voor om nucleofiel O te neutraliseren2-, dat vrijkomt bij de oxidatie van Li2O, en de extra ontwikkeling van gasvormig O . te voorkomen2 als gevolg van de fabricage van een op LiF gebaseerde elektrolyt die is gecoat op het oppervlak van de kathode van de batterij.
“We laten zien dat O2- soorten, vrijgelaten via Li2O-oxidatie, worden synergetisch geneutraliseerd door een additief met gefluoreerde ether, "legden de onderzoekers in hun paper uit. "Dit leidt tot de constructie van een op LiF gebaseerde laag aan het kathode / elektrolyt-interface, die het kathodeoppervlak passiveert en de schadelijke oxidatieve ontleding van etheroplosmiddelen beperkt."
Op basis van het door hen bedachte ontwerp waren Yu Qiao en de rest van het team van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in staat om een 2.46 Ah initiële anodevrije pouch-cel met een lange levensduur te realiseren. Deze cel vertoonde een gravimetrische energiedichtheid van 320 Wh kg-1, waardoor een capaciteit van 80% behouden blijft na 300 bedrijfscycli.
In de toekomst zal het anodevrije lithium Accu geïntroduceerd door deze onderzoeksgroep zou kunnen helpen om enkele van de vaak gemelde beperkingen van LMB's te overwinnen. Bovendien zou het ontwerp ervan kunnen inspireren tot het creëren van veiligere oplaadbare batterijen op lithiumbasis met hogere energiedichtheden en een langere levensduur.
