Nieuw proces lijkt onomkeerbaar energieverlies in batterijen te voorkomen
Wanneer een batterij zegt dat deze volledig is opgeladen, is de capaciteit vaak slechts 70-90% van de theoretische energiedichtheid die kan worden opgeslagen, vanwege het permanente verlies van Li-ionen dat kan optreden tijdens de vormingsfase van de batterijproductie.
In een poging dit te overwinnen en dit initiële verlies van Li-ionen te voorkomen, hebben wetenschappers van het Korea Institute of Science en Technologie (KIST) hebben een oplossing voor de voorbehandeling van elektroden ontwikkeld die dit initiële Li-ionverlies in grafiet-siliciumoxide (SiOx, 0.5 ≤ x ≤ 1.5) composietanodes kan minimaliseren.
Na te zijn ondergedompeld in de oplossing, vertoonde de anode, die voor 50% uit SiOx bestond, een verwaarloosbaar Li-verlies, waardoor een volledige cel een bijna ideale energiedichtheid kon vertonen.
De meeste commerciële Li-batterijen gebruiken een grafietanode, maar SiOx heeft veel aandacht gekregen vanwege zijn hoge capaciteit, die 5-10 keer groter is dan grafiet. SiOx verbruikt echter ook onomkeerbaar drie keer zoveel actieve Li als grafiet. Als gevolg hiervan is een composietelektrode, bestaande uit een mengsel van grafiet en SiOx, gepromoot als alternatief voor praktische anodes van de volgende generatie.
Hoewel er een overeenkomstige toename was in de capaciteit van grafiet-SiOx-composietelektroden bij hogere SiOx-verhoudingen, was er ook een toename van het verlies van aanvankelijk Li. Als gevolg hiervan moest de verhouding van het SiOx-gehalte in een grafiet-SiOx-composietelektrode worden beperkt tot 15%, omdat het verhogen van de verhouding tot 50% zou resulteren in een aanvankelijk Li-verlies van 40%.
Om dit tegen te gaan heeft het onderzoeksteam van KIST een proces ontwikkeld waarbij de elektrode in een unieke oplossing wordt gedompeld om het Li-verbruik door de SiOx-elektrode te verminderen. Het team paste dit proces vervolgens toe op een grafiet-SiOx-composietmateriaal met een aanzienlijk commercialiseringspotentieel.
Het team ontdekte dat de eerder ontwikkelde voorbehandelingsoplossingen de onbedoelde invoeging van oplosmiddelmoleculen met Li-ionen in het grafiet zouden veroorzaken, dankzij het veelzijdige intercalatievermogen van het grafiet. Deze intercalatie van grote oplosmiddelmoleculen resulteerde in de structurele afbraak van de grafiet-SiOx-composietelektrode. Om elektrodefalen te voorkomen, ontwikkelden de onderzoekers een alternatieve oplossing met een zwak oplossend oplosmiddel om de interactie tussen het oplosmiddel en de Li-ionen te verminderen. Deze oplossing maakte de selectieve invoeging van Li-ionen in de actieve materialen mogelijk, waardoor een stabiele toevoer van extra Li naar de grafiet-SiOx-composietelektrode werd verzekerd.
Het initiële Li-verbruik werd volledig voorkomen nadat de grafiet-SiOx-elektrode ongeveer 1 minuut was ondergedompeld in de door het onderzoeksteam ontwikkelde oplossing, zelfs bij een SiOx-verhouding van 50%. Dientengevolge vertoonde de elektrode een hoge initiële efficiëntie van bijna 100%, wat wijst op een verwaarloosbaar Li-verlies (≤ 1%) in de initiële lading. Elektroden die via dit proces werden ontwikkeld, hadden een capaciteit die 2.6 keer hoger was dan die van conventionele grafietanodes, terwijl ze ook 87.3% van de oorspronkelijke capaciteit behielden na 250 laad-/ontlaadcycli.
Volgens Dr. Minah Lee van KIST: "Als resultaat van deze studie zouden we in staat moeten zijn om het SiOx-gehalte in grafiet-SiOx-composietanodes te verhogen tot meer dan 50%, in tegenstelling tot de 15%-verhouding toegestaan door conventionele materialen, waardoor het mogelijk om lithium-ionbatterijen met een grotere capaciteit te produceren en de kilometerstand van toekomstige EV’s te verbeteren.”
Dr. Jihyun Hong, een co-onderzoeker bij KIST, voegde toe: "De technologie is veilig en geschikt voor massaproductie en zal daarom waarschijnlijk worden gecommercialiseerd."